双稳态压电-电磁复合俘能器非线性动力学分析 被引量：1

1

作者 梅杰 倪祥禄 +2 位作者 宋钢 陈定方 李立杰 《武汉科技大学学报》 CAS 北大核心 2024年第1期55-70,共16页

提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利... 提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利用MATLAB仿真分析激励频率、激励幅值、磁铁间距和负载电阻对系统输出性能的影响,并运用龙格-库塔法分析俘能器的非线性动力学特性;通过电路仿真研究悬臂梁在不同振动状态下的整流滤波特性。结果表明:随着激励幅值的提高,系统阱间运动的频率带宽会逐渐增大;存在一组最优的压电负载和电磁负载,使得系统输出总功率达到最大;负载的改变不会影响阱间运动的频带宽度;随着激励的增强,系统在混沌运动和周期运动间进行状态转换,可以利用标准桥式整流滤波电路进行周期运动时的能量采集,但该电路无法稳定收集混沌运动时的系统输出。 展开更多

关键词 压电-电磁复合俘能器 双稳态 几何非线性 阱间运动 非线性动力学分析

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磁力调控驰振压电-电磁复合俘能器设计与研究 被引量：2

2

作者 李霞 许云威 +2 位作者 刘本学 苏宇锋 田海港 《压电与声光》 CAS 北大核心 2024年第1期128-135,共8页

为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改... 为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改善其对高风速环境的适应性,且能够增加复合俘能器的输出电压。在搭建风洞实验平台和制作实验样机的基础上,研究不同负载电阻、风速、关键结构参数d 0和d 1对俘能器输出特性的影响规律。实验结果表明,当PEH钝体的振幅被磁力限制在一定区间时,钝体的振动频率和速度随着风速的升高而逐渐增加。风速为11.5 m/s时,PEH振动主频率(6.3 Hz)是风速为8.4 m/s时PEH振动主频率(4.3 Hz)的1.4倍。当风速为12 m/s,GPEEH的输出功率为6.18 mW,相较于单一驰振压电俘能器的输出功率提高了47%。其中当风速达到10.5 m/s时,PEH和电磁俘能器(EEH)的输出功率均趋于稳定。 展开更多

关键词 风致振动 压电俘能 电磁俘能 驰振复合俘能器 磁力调控

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风致驰振型压电-电磁复合俘能器等效电路建模及参数影响分析 被引量：1

3

作者 王红艳 胡嘉睿 +2 位作者 隽文烁 韩刚 刘尚 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1158-1164,共7页

为了研究与标准直流接口电路相连的风致驰振型压电-电磁复合俘能器的发电性能,建立了风致驰振型压电-电磁复合俘能器的等效电路模型,利用电路仿真软件仿真分析了接口电路串联和并联配置、激励风速和负载电阻对压电-电磁复合俘能器输出... 为了研究与标准直流接口电路相连的风致驰振型压电-电磁复合俘能器的发电性能,建立了风致驰振型压电-电磁复合俘能器的等效电路模型,利用电路仿真软件仿真分析了接口电路串联和并联配置、激励风速和负载电阻对压电-电磁复合俘能器输出功率的影响关系。结果表明,俘能器起振后,直流接口并联连接比串联连接具有更高的功率输出。对于并联接口电路,在低负载阻抗区,压电-电磁复合俘能具有比单一压电和单一电磁俘能更高的输出功率;在高负载阻抗区,压电-电磁复合俘能与单一压电俘能的输出功率相当,电磁俘能表现出对高阻抗负载的不适用性。本文参数化分析结果有助于理解连接标准直流接口电路的压电-电磁复合俘能器发电性能。 展开更多

关键词 压电-电磁复合 风致驰振 等效电路 直流接口 性能分析

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压电-电磁复合振动俘能器的耦合负载特性及俘能性能 被引量：5

4

作者 张振振 娄军强 +3 位作者 贾振 任枭荣 王涛 魏燕定 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第3期459-466,共8页

基于环境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。利用搭建的实验平台分别研究了单一压电... 基于环境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能。实验结果表明:在基础振动加速度0.5g,压电、电磁支路外接最佳匹配阻抗50kΩ和30Ω的条件下,压电俘能支路,电磁俘能支路以及复合俘能装置最大谐振俘能输出功率分别为1.05,7.18及8.23mW。与单一形式的俘能装置相比,提出的复合俘能器提高了俘能效率,并具有一定的宽频俘能特性。 展开更多

关键词 复合俘能装置 压电式俘能 电磁式俘能 振动俘能 负载特性

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几种压电电磁复合俘能器的发电性能实验研究 被引量：5

5

作者 赵庆玲 于蓬勃 +3 位作者 刘诗雨 杨崇秋 杨小辉 宋汝君 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第11期195-204,共10页

针对线性的单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、输出效率低等问题,提出了3种压电电磁复合式俘能器结构,可增大对环境中振动能量的俘获。首先,设计了无磁力单梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器仅设有上方的压电单梁,压电梁首端的磁... 针对线性的单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、输出效率低等问题,提出了3种压电电磁复合式俘能器结构,可增大对环境中振动能量的俘获。首先,设计了无磁力单梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器仅设有上方的压电单梁,压电梁首端的磁铁进入到固定的线圈中;然后,设计了磁力刚性梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器在无磁力装置的基础上增加带有磁铁的刚性梁,当两块磁铁极性相对时,则产生磁斥力;接着,设计了磁力双梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器是将磁力刚性梁装置中的刚性梁换作与压电梁相同尺寸的悬臂梁,两磁铁位置保持不变,形成双梁系统;最后,对3种俘能器的发电性能分别进行实验研究,对比分析3种俘能器的输出功率和输出压电值。实验结果表明:磁力的引用,提高了电磁的发电性能,但同时也降低了压电梁的输出功率;双悬臂梁的加入,增加了装置的自由度,拓宽了装置的工作频带;3种俘能器的发电综合峰值基本相当;无磁力单梁装置中的压电发电性能最好,更适合高阻抗环境;磁力双梁装置中电磁发电性能最优且压电输出存在双峰值,更适合宽频带、低阻抗环境。实验结果证明了磁力双梁压电电磁复合结构俘能器可俘获能量的频带最宽,具有较优的输出性能。 展开更多

关键词 振动 磁力 压电电磁复合 俘能 宽频

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线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究 被引量：5

6

作者 张旭辉 陈路阳 +3 位作者 陈孝玉 徐冬梅 朱福林 郭岩 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期2996-3006,共11页

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规... 利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律.利用磁偶极子法建立磁力模型,通过实验测量线形-拱形组合梁的恢复力,并采用多项式拟合得到恢复力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型,从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律.研制线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究,通过采集组合梁末端响应速度数据,验证了理论分析的正确性.研究表明:引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱,激励一定时,调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动,且在三稳态运动时响应位移较大,增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应.研究为线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导. 展开更多

关键词 三稳态压电俘能器 线形-拱形组合梁 非线性磁力 动力学建模 数值仿真

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基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究 被引量：2

7

作者 陈兵 石雨桐 张利杰 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2020年第13期198-206,253,共10页

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量... 为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。 展开更多

关键词 多模态 压电-电磁混合 振动能量俘集 谐振器 机电耦合 仿真 实验

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基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器 被引量：8

8

作者 李征 万杰 +3 位作者 阚君武 王淑云 杨志刚 程光明 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第5期1002-1008,共7页

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收。介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究。理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结... 提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收。介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究。理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能。采用外径为60mm、厚度为0.9mm的双晶压电振子及外径为16cm,长度为100cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试。试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加。其它条件不变时,0.4MPa背压下的输出电压是背压0.2MPa时的1.65倍。 展开更多

关键词 压电-液压 俘能器 流固耦合 振动能量 能量回收

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双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计 被引量：4

9

作者 董新博 刘海鹏 +1 位作者 陈林雄 高世桥 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2017年第5期711-716,共6页

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线... 现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。 展开更多

关键词 压电材料 俘能器 压电磁耦合 永磁体 输出电压

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分段线性复合式振动俘能器的建模与实验 被引量：2

10

作者 王浩宇 杨欢 +1 位作者 彭利平 刘德洋 《机电工程》 CAS 北大核心 2020年第12期1459-1465,共7页

针对传统能量收集器的工作带宽窄和输出功率低等问题,对带有复合式俘能技术和非线性技术振动俘能器进行了研究。该俘能器将多个压电悬臂梁自由端共同连接线圈振子,获得多种换能方式,并引入了分段线性弹簧使系统具有拓展带宽的能力;对发... 针对传统能量收集器的工作带宽窄和输出功率低等问题,对带有复合式俘能技术和非线性技术振动俘能器进行了研究。该俘能器将多个压电悬臂梁自由端共同连接线圈振子,获得多种换能方式,并引入了分段线性弹簧使系统具有拓展带宽的能力;对发电装置开展了理论分析,将装置简化为固支-导支梁,利用欧拉-伯努利梁理论建立了Rayleigh-Ritz近似分布参数模型,然后利用等效参数转化为集总参数机电耦合模型。研究结果表明:理论值与实验值的一致性较好,非线性弹簧引入振动俘能器会在共振峰右侧产生次共振峰值拓展带宽;同时,输出电压随着负载的增大单调增加,输出功率随着负载的电阻增加逐渐增大到某个最值后降低,最大输出达到27.6 mW/g 2。 展开更多

关键词 振动俘能器 压电电磁 分段线性 机电耦合建模

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新型双稳态压电振动俘能系统的理论建模与实验研究 被引量：24

11

作者 张旭辉 赖正鹏 +3 位作者 吴中华 谭厚志 左萌 樊红卫 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第1期87-96,共10页

针对线性压电俘能系统的共振频带窄、俘能方向单一、发电效率低等问题,设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能结构。利用广义Hamilton变分原理建立了系统分布式力-电-磁耦合模型,结合数值计算和实验验证方法揭示了磁铁间距、外界振动激... 针对线性压电俘能系统的共振频带窄、俘能方向单一、发电效率低等问题,设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能结构。利用广义Hamilton变分原理建立了系统分布式力-电-磁耦合模型,结合数值计算和实验验证方法揭示了磁铁间距、外界振动激励条件对压电俘能系统响应特性的影响规律。研究结果表明:在合适的磁距和外界振动激励条件下,系统的输出电压可达18V,是线性压电振动俘能系统的3.5倍,有效工作频带是线性压电振动俘能系统的3.1倍,说明双稳态压电振动俘能系统具有明显拓宽有效工作频带和提升发电效率的能力,为压电俘能系统工程化应用提供了理论依据。 展开更多

关键词 压电俘能器 振动能量采集器 双稳态 多悬臂梁 力-电-磁耦合模型

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压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析 被引量：6

12

作者 王红艳 谢涛 王志彬 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2010年第3期46-49,共4页

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析。结果表明:叉指电极结构... 研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析。结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大。d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大。而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大。相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用。 展开更多

关键词 压电纤维复合材料 交叉指电极 悬臂梁 俘能器

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巨-子结构智能隔震体系抗震性能研究 被引量：1

13

作者 李祥秀 李小军 +2 位作者 刘爱文 谭平 贺秋梅 《震灾防御技术》 CSCD 北大核心 2017年第1期157-165,共9页

针对巨-子结构隔震体系,在隔震层处或子结构顶部与主结构连接处,施加SMA-压电智能复合阻尼器,从而形成巨-子结构智能隔震体系。本文通过限界Hrovat最优控制算法设计了巨-子结构智能隔震体系的半主动控制器,在此基础上,对巨-子结构智能... 针对巨-子结构隔震体系,在隔震层处或子结构顶部与主结构连接处,施加SMA-压电智能复合阻尼器,从而形成巨-子结构智能隔震体系。本文通过限界Hrovat最优控制算法设计了巨-子结构智能隔震体系的半主动控制器,在此基础上,对巨-子结构智能隔震体系进行了Simulink控制效果仿真分析,同时比较了控制装置安装位置的不同对结构控制效果的影响,并与普通隔震结构的减震效果进行了对比。研究结果表明,智能隔震控制1(隔震层加控制装置)和智能隔震控制2(子结构顶部加控制装置)2种控制方案在控制结构的位移方面效果相差不大。总体而言,智能隔震控制2对于控制子结构单元顶部的绝对加速度效果更为显著,但是相对于普通隔震而言,特别是在控制隔震层位移方面2种方案都具有较好的控制效果。实施智能控制可以有效改善巨-子结构被动控制体系的抗震性能,并能降低隔震结构在遭受强震时由于隔震层出现过大位移导致结构倾覆的危险。 展开更多

关键词 巨-子结构隔震体系 SMA.压电智能复合阻尼器 智能控制 减震效果

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基于MFC的地铁轨道振动能量收集研究 被引量：7

14

作者 谢伟平 陈谣 王先锋 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第9期210-218,236,共10页

压电陶瓷极限受拉承载力弱,导致传统悬臂型俘能器在工程应用中极易开裂损坏,与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料(MFC)具有优异的柔韧性、耐久性,恰恰弥补了这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的... 压电陶瓷极限受拉承载力弱,导致传统悬臂型俘能器在工程应用中极易开裂损坏,与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料(MFC)具有优异的柔韧性、耐久性,恰恰弥补了这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的应用鲜有研究。首先建立地铁车辆-轨道耦合系统模型,得到钢轨在车辆荷载作用下的动力响应。紧接着基于混合规则和代表体积元建立型悬臂式MFC俘能器的力电耦合模型,并将钢轨的动力响应作为俘能器的输入荷载预测其电能输出,讨论了材料参数、几何参数及车辆荷载特性对输出电能的影响。并进一步通过试验研究,验证了所建立理论分析模型的正确性。最后基于LTC3588-1能量管理芯片进行了能量收集-存储模拟,验证了MFC俘能器用于无线传感器供能的可行性。 展开更多

关键词 压电纤维复合材料(MFC) 地铁轨道振动 悬臂式俘能器 能量收集和存储

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纤维层厚和叉指电极间距对MFC电输出性能的影响 被引量：7

15

作者 谢焰 周静 +1 位作者 沈杰 杨雄 《硅酸盐通报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第12期4193-4197,共5页

采用层叠-切割法制备了不同纤维层厚度的高固含量MFC压电纤维复合材料。通过改变其叉指电极间距,探讨MFC结构对其电输出性能的影响。结果表明,纤维层厚度适当增加,叉指电极间距适当减小均能提高MFC俘能器的输出电压,改变纤维层厚度还可... 采用层叠-切割法制备了不同纤维层厚度的高固含量MFC压电纤维复合材料。通过改变其叉指电极间距,探讨MFC结构对其电输出性能的影响。结果表明,纤维层厚度适当增加,叉指电极间距适当减小均能提高MFC俘能器的输出电压,改变纤维层厚度还可以调节MFC的谐振频率。当纤维层厚度为0.3 mm、叉指电极间距为0.5 mm时,MFC悬臂梁俘能器在负载为1000 kΩ时的输出功率为4.8μW,功率密度为18 m W/m^2,且具有良好的输出稳定性。 展开更多

关键词 压电纤维复合材料 电输出 悬臂梁俘能器

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