摘要：设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH),用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励,并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式;然后,建立仿真模型,对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后,加工了实验样机,并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明,当受到沿胫骨方向的激励时,压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压;受到沿胫骨和脚面两个方向激励时,压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8km/h时,每根压电梁的峰值电压可达到10V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量,并能够同时收集两个方向的加速度能量,提高了压电梁的发电性能。

摘要：俘获周围环境中丰富的低频机械能对减少废旧电池数量、实现自维持传感器、降低传感器网络的使用和维护成本等具有重要意义,但传统的振动型俘能器对低频机械能的俘获效果不佳.为了有效收集周围环境中的低频机械能,本文提出一种线绳驱动、具备转速提升功能的电磁式俘能器,首先借助线绳驱动转轴结构将低频振动转换为双向旋转运动,再通过刚度自动改变的拨片和磁齿轮将双向旋转运动转换为转速更高的单向旋转运动,从而提高输出功率.对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型,并通过样机制作和实验测试证实了理论模型的正确性.实验研究表明,在激励幅值40 mm和激励频率2 Hz的条件下,通过本文设计制作的2.5倍转速提升功能的磁齿轮,可将线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率增加至7.82 mW,比对应的无磁齿轮提升转速的线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率(3.22 mW)高约143%.在相同的激励条件下,制作的俘能器的交流电能经过桥式整流器转换为直流后,可在1.2 s内将220μF储能电容器的电压从0 V提升至1.5 V.在低频、不规则的振动激励下,所制作的俘能器仍可提供0.35 m W的输出功率,为设计高性能低频俘能器提供一条可行的解决方案.

摘要：针对微机械器件中普遍使用的微梁在静电力作用下的变形、吸附、电压与间距等设计问题,以平行板电容器为原型,利用弹性力学中的板梁静力学方程和静电场分布的拉普拉斯方程建立了微悬臂梁的机电耦合模型.将不均匀分布的静电力载荷等效离散为一组集中载荷,对小变形梁应用叠加法求解耦合模型控制方程,得到微梁失去稳定平衡状态的临界电压和梁的挠曲线.结果表明,电压增高,梁的挠度随之增大,达到临界电压时,梁末端的挠度与变形前的间隙之比为0.42～0.44.

摘要：基于永磁铁磁力随位移的非线性变化特性,提出了一种新型磁力微加速度开关设计方案.建立了含有永磁力、气膜阻尼力、表面接触力、惯性力的开关系统动力学分析模型,给出了质量块在开关多种工作状态下的运动微分方程.对开关工作过程中质量块位置、永磁力、空气阻尼力、质量块与触点接触力等参数的变化规律进行了仿真,结果表明:该设计可以受控于加速度门限完成闭合-断开功能;微开关系统阻尼由质量块与封装外壳间隙厚度决定,为一变阻尼系统;开关闭合时电接触可靠性取决于质量块对触点的压力;开关闭合和截止所需的激励加速度门限值受永磁铁磁力和支撑梁刚度参数的控制.

摘要：机电耦合问题是微机电系统结构分析中的重要内容之一,目前多采用有限元方法求解。作为结构分析的有限元方法从精度上来说是令人满意的,但对于结构设计来说计算效率低、费用高。本文在对微梁结构控制方程中的静电力和梁伸长拉力公式进行校正的基础上,给出一种易于实现的不需要求解方程组的数值计算方法,通过计算实例证明,该方法与有限元方法计算的结果误差在2%以内。

摘要：给出了一种静电力作用下微悬臂梁控制方程的数值求解方法,提出了求解该模型的近似解析式和修正解析式,并采用模态叠加法计算微梁的动响应。结果表明,修正解析式、数值算法和动响应方法计算的微梁变形结果是一致的。同时也揭示了微梁振动响应周期与驱动电压成正比、动态临界电压低于静态临界电压等相关特性。

摘要：高速公路路侧安全监测预警场景中进行分布式数据采集与传输所采用的低功耗传感器、电子设备均需电能供应。微俘能自发电技术是一种能够将环境中的微小自然能转换为电能的新型能源获取技术,将环境中的低频机械能、微风能、波浪能等微小能量,通过设计的能量俘获、转换装置,将其转化为电能,为低功耗电子设备提供持续的电力供应。本文对高速公路微俘能自发电技术的基础理论、工作模式、转换机制和规律进行了分析论证,设计了俘能器样机,并在路侧安全监测预警场景中对微俘能自发电设备进行了应用验证与测试。