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题名音叉压电悬臂梁动力学建模及振动俘能特性分析
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作者
马丽骞
曹东兴
詹昌海
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机构
北京工业大学力学系
机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室
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出处
《振动工程学报》
北大核心
2025年第5期984-993,共10页
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基金
国家自然科学基金资助项目(11972051,11874011)。
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文摘
环境振动能量采集技术可为物联网低功耗电子设备提供绿色无源自供电技术,针对传统平直悬臂梁俘能器结构固有频率高,俘能效率较低的不足,提出一类叉型悬臂梁结构用于环境中振动能量的采集,克服传统悬臂梁结构自由端部分因振动时应变较小而不利于能量采集的缺点,从而提升系统的俘能效率。利用Lagrange方程建立音叉压电悬臂梁在谐波激励下的动力学方程,求解系统固有频率,综合对比理论解析、有限元仿真和试验结果,分析了结构尺寸、附加质量块以及负载电阻对系统俘能特性的影响。结果表明:在悬臂梁结构自由端处引入分叉结构可以降低系统的固有频率,证明音叉压电悬臂梁俘能器更有利于低频环境振动俘能;在加速度激励幅值为0.5 m/s^(2)时,系统俘能输出功率峰值为7 mW;进一步优化结构,在自由端引入20 g附加质量块,系统俘能输出功率峰值提升至18 mW;设计压电俘能接口电路,采集转换的电能直接为LED灯(发光二极管)供电,可同时点亮50个LED灯。研究结果可为适配80 Hz以下的低频振动环境的能量采集以及实现低功耗物联网传感器的自供电设计提供理论支撑。
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关键词
音叉压电悬臂梁
环境振动利用
分叉结构
动力学建模
低频多模态
俘能试验
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Keywords
tuning fork piezoelectric cantilever beam
ambient vibration utilization
bifurcated structure
dynamic modelling
multi-modes in lower frequency
energy harvesting experiment
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分类号
O322
[理学—一般力学与力学基础]
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