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壓電能量采集動力學(xué)設(shè)計(jì)理論與技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030720405
- 條形碼：9787030720405 ; 978-7-03-072040-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
壓電能量采集動力學(xué)設(shè)計(jì)理論與技術(shù) 內(nèi)容簡介
本書以作者近年來的科研工作為基礎(chǔ)著作而成，系統(tǒng)論述了壓電能量采集動力學(xué)設(shè)計(jì)理論、各種典型壓電能量采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)應(yīng)用，充分反映了壓電能量采集設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的近期新研究進(jìn)展。全書共9章。第1章概述機(jī)械能量采集技術(shù)。第2章詳細(xì)闡述壓電能量采集基礎(chǔ)理論。第3章介紹機(jī)械調(diào)制原理與方法。第4章對磁力耦合非線性振動能量采集方法進(jìn)行討論與分析，包括磁力耦合機(jī)制與非線性調(diào)控機(jī)理等。第5章介紹往復(fù)運(yùn)動下壓電能量采集技術(shù)。第6章介紹旋轉(zhuǎn)運(yùn)動壓電能量采集。第7章介紹對流體環(huán)境下磁耦合壓電能量采集。第8章介紹了壓電馳振能量采集技術(shù)。第9章討論壓電能量采集技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展。
壓電能量采集動力學(xué)設(shè)計(jì)理論與技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 非線性振動能量采集理論與技術(shù)進(jìn)展 2
1.2.1 雙穩(wěn)態(tài)及多穩(wěn)態(tài)非線性振動能量采集 2
1.2.2 基于內(nèi)共振的非線性振動能量采集 5
1.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動壓電能量采集理論與技術(shù)進(jìn)展 6
1.3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量源 6
1.3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集方法 7
1.3.3 基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集的應(yīng)用 12
1.4 機(jī)械能量采集的研究趨勢 13
參考文獻(xiàn) 14
第2章 壓電能量采集基礎(chǔ)理論 22
2.1 引言 22
2.2 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理 22
2.2.1 電磁能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 23
2.2.2 靜電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 24
2.2.3 磁致伸縮能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 24
2.2.4 壓電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 26
2.2.5 摩擦能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 26
2.3 壓電材料性能 28
2.3.1 壓電材料性能參數(shù) 28
2.3.2 壓電材料力學(xué)特性 32
2.3.3 壓電方程及壓電材料工作模式 34
2.4 能量采集典型壓電結(jié)構(gòu) 36
2.4.1 壓電梁結(jié)構(gòu) 36
2.4.2 壓電膜結(jié)構(gòu) 40
2.4.3 壓電疊堆結(jié)構(gòu) 41
2.4.4 彎張型壓電單元結(jié)構(gòu) 43
2.5 本章小結(jié) 47
參考文獻(xiàn) 47
第3章 機(jī)械調(diào)制原理與方法 50
3.1 引言 50
3.2 機(jī)械調(diào)制原理 50
3.3 運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換 51
3.3.1 流動力轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動 52
3.3.2 機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為可控作用力 53
3.3.3 往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)/滾動 55
3.3.4 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為振動 57
3.3.5 基于運(yùn)動轉(zhuǎn)換的多方向振動能量采集 57
3.4 頻率提升方法 58
3.4.1 陣列式設(shè)計(jì) 58
3.4.2 諧振式設(shè)計(jì) 59
3.5 激勵放大機(jī)理與方法 59
3.5.1 彎張放大機(jī)理 59
3.5.2 傳動機(jī)構(gòu)放大機(jī)理 62
3.5.3 動力學(xué)放大機(jī)理 63
3.6 本章小結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 64
第4章 磁力耦合非線性振動能量采集 71
4.1 引言 71
4.2 磁力耦合機(jī)制與磁力耦合非線性振動能量采集 71
4.2.1 磁力耦合非線性振動能量采集器建模 74
4.2.2 基座激勵下動力學(xué)響應(yīng) 76
4.2.3 脈沖激勵下磁力耦合振動能量采集 82
4.3 磁力耦合模式 86
4.3.1 磁力耦合模式和機(jī)電耦合動力學(xué)模型 86
4.3.2 參數(shù)分析 94
4.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 101
4.3.4 結(jié)果與討論 102
4.4 非線性調(diào)控機(jī)理 121
4.4.1 非線性磁力干預(yù)被動控制 121
4.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 125
4.5 磁力耦合多方向振動能量采集 130
4.5.1 設(shè)計(jì)與工作原理 131
4.5.2 動力學(xué)模型 132
4.5.3 實(shí)驗(yàn)裝置 135
4.5.4 結(jié)果與討論 136
4.6 本章小結(jié) 148
參考文獻(xiàn) 148
第5章 往復(fù)運(yùn)動壓電能量采集 150
5.1 引言 150
5.2 滾壓式往復(fù)運(yùn)動壓電能量采集 150
5.2.1 滾壓機(jī)理與力學(xué)分析 152
5.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)分析 159
5.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 167
5.3 陣列式磁力耦合往復(fù)運(yùn)動壓電能量采集 169
5.3.1 工作原理與理論分析 169
5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 174
5.4 本章小結(jié) 176
參考文獻(xiàn) 176
第6章 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動壓電能量采集 178
6.1 引言 178
6.2 磁力耦合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集 178
6.2.1 磁力耦合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集器設(shè)計(jì) 178
6.2.2 機(jī)電耦合動力學(xué)模型 179
6.2.3 參數(shù)分析 184
6.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 187
6.2.5 結(jié)果與討論 188
6.3 非線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集 194
6.3.1 非線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集器設(shè)計(jì) 194
6.3.2 建模與分析 195
6.3.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果 201
6.4 本章小結(jié) 203
參考文獻(xiàn) 204
第7章 流體環(huán)境下磁力耦合壓電能量采集 206
7.1 引言 206
7.2 旋轉(zhuǎn)式磁力耦合彎張壓電-電磁復(fù)合型風(fēng)能采集 206
7.2.1 設(shè)計(jì)與工作原理 207
7.2.2 動力學(xué)模型 208
7.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 213
7.2.4 結(jié)果與討論 214
7.3 水下磁力耦合壓電雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集 221
7.3.1 設(shè)計(jì)與工作原理 221
7.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 224
7.3.3 結(jié)果與討論 225
7.4 本章小結(jié) 227
參考文獻(xiàn) 228
第8章 壓電馳振能量采集 230
8.1 引言 230
8.2 單低壓Y形鈍體馳振式風(fēng)能采集 234
8.2.1 Y形鈍體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流場特征分析 234
8.2.2 Y形鈍體風(fēng)能采集系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn) 238
8.3 雙低壓音叉形鈍體馳振式風(fēng)能采集 243
8.3.1 風(fēng)能采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其動力學(xué)模型 243
8.3.2 流場仿真與特征分析 246
8.3.3 性能實(shí)驗(yàn) 254
8.4 基于雙尾流干涉效應(yīng)的風(fēng)能采集強(qiáng)化技術(shù) 260
8.4.1 雙平板流場仿真與尾流干涉強(qiáng)化機(jī)理分析 260
8.4.2 雙尾流強(qiáng)化風(fēng)能采集系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn) 265
8.5 基于多干涉體局域壓力調(diào)制的風(fēng)能采集強(qiáng)化技術(shù) 275
8.5.1 多干涉體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流場局域壓力調(diào)制機(jī)理分析 275
8.5.2 局域壓力調(diào)制強(qiáng)化的風(fēng)能采集系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn) 279
8.6 本章小結(jié) 283
參考文獻(xiàn) 284
第9章 壓電能量采集技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展 286
9.1 引言 286
9.2 人體壓電能量采集技術(shù) 286
9.2.1 穿戴式壓電能量采集技術(shù) 286
9.2.2 植入式壓電能量采集技術(shù) 289
9.3 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 291
9.3.1 高壓輸電線壓電能量采集技術(shù) 291
9.3.2 道路壓電能量采集技術(shù) 293
9.3.3 火車軌道振動壓電能量采集技術(shù) 294
9.3.4 橋梁振動壓電能量采集技術(shù) 296
9.3.5 家居、樓宇中的壓電能量采集技術(shù) 297
9.3.6 環(huán)境噪聲壓電能量采集技術(shù) 298
9.4 汽車領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 300
9.5 航空領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 301
9.6 自然環(huán)境中的流體壓電能量采集技術(shù) 302
9.7 國防軍事領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 304
9.8 本章小結(jié) 306
參考文獻(xiàn) 307
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 非線性振動能量采集理論與技術(shù)進(jìn)展 2
1.2.1 雙穩(wěn)態(tài)及多穩(wěn)態(tài)非線性振動能量采集 2
1.2.2 基于內(nèi)共振的非線性振動能量采集 5
1.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動壓電能量采集理論與技術(shù)進(jìn)展 6
1.3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量源 6
1.3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集方法 7
1.3.3 基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集的應(yīng)用 12
1.4 機(jī)械能量采集的研究趨勢 13
參考文獻(xiàn) 14
第2章 壓電能量采集基礎(chǔ)理論 22
2.1 引言 22
2.2 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理 22
2.2.1 電磁能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 23
2.2.2 靜電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 24
2.2.3 磁致伸縮能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 24
2.2.4 壓電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 26
2.2.5 摩擦能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 26
2.3 壓電材料性能 28
2.3.1 壓電材料性能參數(shù) 28
2.3.2 壓電材料力學(xué)特性 32
2.3.3 壓電方程及壓電材料工作模式 34
2.4 能量采集典型壓電結(jié)構(gòu) 36
2.4.1 壓電梁結(jié)構(gòu) 36
2.4.2 壓電膜結(jié)構(gòu) 40
2.4.3 壓電疊堆結(jié)構(gòu) 41
2.4.4 彎張型壓電單元結(jié)構(gòu) 43
2.5 本章小結(jié) 47
參考文獻(xiàn) 47
第3章 機(jī)械調(diào)制原理與方法 50
3.1 引言 50
3.2 機(jī)械調(diào)制原理 50
3.3 運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換 51
3.3.1 流動力轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動 52
3.3.2 機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為可控作用力 53
3.3.3 往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)/滾動 55
3.3.4 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為振動 57
3.3.5 基于運(yùn)動轉(zhuǎn)換的多方向振動能量采集 57
3.4 頻率提升方法 58
3.4.1 陣列式設(shè)計(jì) 58
3.4.2 諧振式設(shè)計(jì) 59
3.5 激勵放大機(jī)理與方法 59
3.5.1 彎張放大機(jī)理 59
3.5.2 傳動機(jī)構(gòu)放大機(jī)理 62
3.5.3 動力學(xué)放大機(jī)理 63
3.6 本章小結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 64
第4章 磁力耦合非線性振動能量采集 71
4.1 引言 71
4.2 磁力耦合機(jī)制與磁力耦合非線性振動能量采集 71
4.2.1 磁力耦合非線性振動能量采集器建模 74
4.2.2 基座激勵下動力學(xué)響應(yīng) 76
4.2.3 脈沖激勵下磁力耦合振動能量采集 82
4.3 磁力耦合模式 86
4.3.1 磁力耦合模式和機(jī)電耦合動力學(xué)模型 86
4.3.2 參數(shù)分析 94
4.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 101
4.3.4 結(jié)果與討論 102
4.4 非線性調(diào)控機(jī)理 121
4.4.1 非線性磁力干預(yù)被動控制 121
4.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 125
4.5 磁力耦合多方向振動能量采集 130
4.5.1 設(shè)計(jì)與工作原理 131
4.5.2 動力學(xué)模型 132
4.5.3 實(shí)驗(yàn)裝置 135
4.5.4 結(jié)果與討論 136
4.6 本章小結(jié) 148
參考文獻(xiàn) 148
第5章 往復(fù)運(yùn)動壓電能量采集 150
5.1 引言 150
5.2 滾壓式往復(fù)運(yùn)動壓電能量采集 150
5.2.1 滾壓機(jī)理與力學(xué)分析 152
5.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)分析 159
5.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 167
5.3 陣列式磁力耦合往復(fù)運(yùn)動壓電能量采集 169
5.3.1 工作原理與理論分析 169
5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 174
5.4 本章小結(jié) 176
參考文獻(xiàn) 176
第6章 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動壓電能量采集 178
6.1 引言 178
6.2 磁力耦合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集 178
6.2.1 磁力耦合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集器設(shè)計(jì) 178
6.2.2 機(jī)電耦合動力學(xué)模型 179
6.2.3 參數(shù)分析 184
6.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 187
6.2.5 結(jié)果與討論 188
6.3 非線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集 194
6.3.1 非線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集器設(shè)計(jì) 194
6.3.2 建模與分析 195
6.3.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果 201
6.4 本章小結(jié) 203
參考文獻(xiàn) 204
第7章 流體環(huán)境下磁力耦合壓電能量采集 206
7.1 引言 206
7.2 旋轉(zhuǎn)式磁力耦合彎張壓電-電磁復(fù)合型風(fēng)能采集 206
7.2.1 設(shè)計(jì)與工作原理 207
7.2.2 動力學(xué)模型 208
7.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 213
7.2.4 結(jié)果與討論 214
7.3 水下磁力耦合壓電雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集 221
7.3.1 設(shè)計(jì)與工作原理 221
7.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 224
7.3.3 結(jié)果與討論 225
7.4 本章小結(jié) 227
參考文獻(xiàn) 228
第8章 壓電馳振能量采集 230
8.1 引言 230
8.2 單低壓Y形鈍體馳振式風(fēng)能采集 234
8.2.1 Y形鈍體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流場特征分析 234
8.2.2 Y形鈍體風(fēng)能采集系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn) 238
8.3 雙低壓音叉形鈍體馳振式風(fēng)能采集 243
8.3.1 風(fēng)能采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其動力學(xué)模型 243
8.3.2 流場仿真與特征分析 246
8.3.3 性能實(shí)驗(yàn) 254
8.4 基于雙尾流干涉效應(yīng)的風(fēng)能采集強(qiáng)化技術(shù) 260
8.4.1 雙平板流場仿真與尾流干涉強(qiáng)化機(jī)理分析 260
8.4.2 雙尾流強(qiáng)化風(fēng)能采集系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn) 265
8.5 基于多干涉體局域壓力調(diào)制的風(fēng)能采集強(qiáng)化技術(shù) 275
8.5.1 多干涉體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流場局域壓力調(diào)制機(jī)理分析 275
8.5.2 局域壓力調(diào)制強(qiáng)化的風(fēng)能采集系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn) 279
8.6 本章小結(jié) 283
參考文獻(xiàn) 284
第9章 壓電能量采集技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展 286
9.1 引言 286
9.2 人體壓電能量采集技術(shù) 286
9.2.1 穿戴式壓電能量采集技術(shù) 286
9.2.2 植入式壓電能量采集技術(shù) 289
9.3 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 291
9.3.1 高壓輸電線壓電能量采集技術(shù) 291
9.3.2 道路壓電能量采集技術(shù) 293
9.3.3 火車軌道振動壓電能量采集技術(shù) 294
9.3.4 橋梁振動壓電能量采集技術(shù) 296
9.3.5 家居、樓宇中的壓電能量采集技術(shù) 297
9.3.6 環(huán)境噪聲壓電能量采集技術(shù) 298
9.4 汽車領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 300
9.5 航空領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 301
9.6 自然環(huán)境中的流體壓電能量采集技術(shù) 302
9.7 國防軍事領(lǐng)域的壓電能量采集技術(shù) 304
9.8 本章小結(jié) 306
參考文獻(xiàn) 307
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壓電能量采集動力學(xué)設(shè)計(jì)理論與技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 引言 微電子器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、消費(fèi)電子產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域[1]。目前，這些器件主要由化學(xué)電池供電，使用壽命有限，也容易造成環(huán)境污染[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子器件需要的能耗降低了很多，可以從環(huán)境中采集各種形式的能量替代傳統(tǒng)電池或延長傳統(tǒng)電池的壽命為微電子器件供能[3]。 環(huán)境中存在的能源有太陽能、熱能和機(jī)械能(或稱動能，本書中機(jī)械能和機(jī)械能量都是指動能)等[4，5]，其中，機(jī)械能(圖1-1)具有清潔、穩(wěn)定和體積小等優(yōu)點(diǎn)[6，7]，是環(huán)境中分布昀廣泛的能源之一，幾乎無處不在[8]，可以從機(jī)械設(shè)備[9]、汽車[10]、人體運(yùn)動[11]和流體[12，13]等不同環(huán)境中獲取該能量。 圖1-1 機(jī)械能量采集示意圖[7] 圖1-2為環(huán)境中可用于機(jī)械能量采集的能量源及其相應(yīng)應(yīng)用[10，14-20]。將機(jī)械運(yùn)動(往復(fù)運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)能量轉(zhuǎn)換為電能，不僅可持續(xù)、節(jié)能環(huán)保，而且可以實(shí)現(xiàn)許多自供能的自動化功能，便捷可靠。例如，自供能可以實(shí)現(xiàn)無線傳感的環(huán)境監(jiān)測，在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動部件安裝自供能傳感器，可以在不依賴外接電源的情況下監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況。目前，機(jī)械能采集技術(shù)已經(jīng)引起工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但仍然存在一些關(guān)鍵問題，如器件輸出功率低、適應(yīng)環(huán)境單一、可靠性低等。因此，研究機(jī)械能采集技術(shù)具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求和廣闊的應(yīng)用前景。 圖1-2 環(huán)境中可用于機(jī)械能量采集的能量源及其相應(yīng)應(yīng)用[10，14-20] 1.2 非線性振動能量采集理論與技術(shù)進(jìn)展 振動能量采集的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是線性振子只在它固有頻率附近比較狹窄的頻域內(nèi)振幅較大，不適合在頻域較寬且主要為低頻的自然環(huán)境中采集振動能量。因此，需要降低振動能量采集器的固有頻率，在自然環(huán)境低頻激勵下更有效地工作[21]。頻率提升方法可用于采集低頻振動能量[22，23]。陣列多個(gè)不同固有頻率振子的振動能量采集器被提出，可在寬頻范圍采集能量[24]。自調(diào)頻技術(shù)也是一種拓寬工作頻域的方式[25]，尤其是非線性系統(tǒng)具有寬頻響應(yīng)，可以更靈活地匹配振源的激勵頻率，利用振動系統(tǒng)的非線性行為進(jìn)行寬頻振動能量采集[26]。 1.2.1 雙穩(wěn)態(tài)及多穩(wěn)態(tài)非線性振動能量采集 雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)可以從一個(gè)穩(wěn)態(tài)突跳到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，可以在寬頻范圍產(chǎn)生大振幅振動，顯著增大功率輸出[20，27]。 屈曲梁(或屈曲板)具有非線性雙穩(wěn)態(tài)特性(圖1-3(a))，與壓電材料復(fù)合可用于非線性雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集[28]。雙穩(wěn)態(tài)壓電屈曲梁/板能夠在寬頻范圍有效俘獲能量[29]。Emam等[30]總結(jié)、回顧和評估了關(guān)于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料用于變形和能量采集的文獻(xiàn)及發(fā)現(xiàn)。 Cleary等[31]建立和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙穩(wěn)態(tài)屈曲梁模型，準(zhǔn)確預(yù)測了產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)突跳所需的臨界激勵。 Betts等[32]研究表明，優(yōu)化雙穩(wěn)態(tài)壓電復(fù)合材料的幾何形狀和壓電尺寸(如器件長寬比、厚度、堆疊方式和壓電面積等)可以顯著增大電壓輸出。 Zhu等[33]發(fā)現(xiàn)，通過磁力作用可使雙穩(wěn)態(tài)壓電屈曲梁在低頻激勵下產(chǎn)生較高電壓，并且拓寬了工作頻域。還有研究表明，雙穩(wěn)態(tài)壓電屈曲梁也可以應(yīng)用于更復(fù)雜的激勵環(huán)境，如隨機(jī)振動下的能量采集[34]、大幅值往復(fù)運(yùn)動能量采集[35]等。 圖1-3 屈曲形式的雙穩(wěn)態(tài) 利用非線性磁力可以構(gòu)建雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，一般在壓電懸臂梁末端設(shè)置永磁體(圖1-4)。在壓電懸臂梁末端設(shè)置的永磁體可以是相互排斥的[36-38]，也可以是對稱的相互吸引的[39，40]。研究表明，調(diào)整永磁體間距在接近單穩(wěn)態(tài)向雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的區(qū)域，系統(tǒng)具有昀優(yōu)的俘獲能量的性能[41]。磁力耦合非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)也被用于隨機(jī)激勵[42，43]、脈沖激勵[44]、馳振風(fēng)能采集[45]、人體運(yùn)動能量采集[46]等。在寬頻隨機(jī)激勵下，按照激勵強(qiáng)度設(shè)計(jì)的雙穩(wěn)態(tài)能量采集器具有更好的性能，否則，單穩(wěn)態(tài)能量采集器可能更加實(shí)用[47]。研究者還針對雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集器設(shè)計(jì)了非線性能量采集電路[48]。 在一般雙穩(wěn)態(tài)能量采集器的基礎(chǔ)上，研究者提出了一些優(yōu)化方式。通過改變永磁體的傾斜角度來改變雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的非線性特性[49]。在雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)引入隨機(jī)共振可以優(yōu)化振動能量采集性能[50]。通過在中間位置設(shè)置一個(gè)小磁體可以降低雙穩(wěn)態(tài)勢能阱間突跳臨界值，顯著增強(qiáng)器件俘獲隨機(jī)振動能量的能力[51]。通過彈性支承也可以增強(qiáng)隨機(jī)激勵下雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集器的性能，如圖1-5(a)所示[52]。二自由度磁力耦合非線性雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集器可用于寬頻振動能量的采集[53]，也可用于俘獲更寬轉(zhuǎn)速范圍的振動能量，如圖1-5(b)所示[54]。 圖1-4 磁力耦合雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 圖1-5 雙穩(wěn)態(tài)振動能量采集器 此外，還有一些其他的雙穩(wěn)態(tài)壓電能量采集設(shè)計(jì)，例如，帶末端質(zhì)量的垂直梁在垂直激勵下具有雙穩(wěn)態(tài)特性[55]；在此基礎(chǔ)上，末端設(shè)置電磁鐵和永磁體的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)具有自適應(yīng)功能[56]；基于線性振子的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)[57-59]也用于電磁能量采集[60-62]。 多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)也被用于振動能量采集(圖1-6)。三穩(wěn)態(tài)勢能阱間距會更大，有利于增加振動幅值[63，64]。相比雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)勢能阱更淺，可以在更弱激勵、更寬頻率實(shí)現(xiàn)阱間運(yùn)動，以產(chǎn)生較高的功率輸出[65-68]。此外，四穩(wěn)態(tài)能量采集器在特定激勵下也可以顯著提高能量采集效率[69，70]。 圖1-6 多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 1.2.2 基于內(nèi)共振的非線性振動能量采集 內(nèi)共振是一種典型的非線性現(xiàn)象。 Chen等[71-74]創(chuàng)造性地探索了內(nèi)共振能量采集，設(shè)計(jì)了一種具有突跳非線性的電磁能量采集器[71]，通過理論分析發(fā)現(xiàn)基于內(nèi)共振的非線性振動能量采集器比相同尺寸的線性振動能量采集器性能更優(yōu)。隨后， Chen等[73，74]研究了基于內(nèi)共振的壓電振動能量采集，設(shè)計(jì)了一種帶有永磁體的 L形壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖1-7(a)所示，調(diào)節(jié)磁體距離使得振動系統(tǒng)的第二模態(tài)頻率近似為**模態(tài)頻率的2倍，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了內(nèi)共振顯著拓寬了振動能量采集器的工作頻域。秦衛(wèi)陽教授團(tuán)隊(duì)[75]研究了帶末端質(zhì)量的垂直梁在垂直激勵下的振動能量采集，通過內(nèi)共振提高了能量俘獲效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，內(nèi)共振可以將激勵能量轉(zhuǎn)移到低階模態(tài)，主要是**模態(tài)和第二模態(tài)，可以產(chǎn)生較大的輸出電壓。 Xu等[76]設(shè)計(jì)了一種多方向振動能量采集器，包括單根壓電懸臂梁和固定在其末端的擺錘，如圖1-7(b)所示，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了1∶2內(nèi)共振使得單根壓電懸臂梁可以在多方向振動激勵下俘獲能量。 Xiong等[77]提出了一種基于內(nèi)共振的寬頻振動能量采集器，包括一個(gè)主要的非線性振子和一個(gè)輔助振子，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于內(nèi)共振的非線性振動能量采集器具有更寬的工作頻域。 圖1-7 基于內(nèi)共振的能量采集器[74，76] 1.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動壓電能量采集理論與技術(shù)進(jìn)展 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是民用和工業(yè)應(yīng)用中昀常見的機(jī)械運(yùn)動形式之一。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量采集也是目前的研究熱點(diǎn)之一。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動更加規(guī)則和可控，有利于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，適合幾乎所有的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制。 1.3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量源 幾乎所有的機(jī)械能量源都可以直接或者間接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，包括自然環(huán)境中的能量，人體運(yùn)動的能量，設(shè)備、車輛運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，土木、建筑等結(jié)構(gòu)的振動能量等。 空氣流動和水流動可以驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)，也可以引起振動，而振動可以轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；波浪也可以驅(qū)動機(jī)械機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。已經(jīng)有許多學(xué)者通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的形式
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