多模態(tài)與寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集器的研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)振動(dòng)能廣泛存在于路橋建筑、生產(chǎn)設(shè)備以及日常生活中，收集環(huán)境中的振動(dòng)能有望實(shí)現(xiàn)為低功耗無(wú)線器件永久供電。在常見(jiàn)的微幅振動(dòng)下的機(jī)電換能機(jī)制中，壓電換能器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，所以壓電能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting，PEH）被廣泛研究。
　　現(xiàn)有的PEH結(jié)構(gòu)一般將其基頻設(shè)計(jì)為某一環(huán)境激振頻率，從而在此頻率附近獲得較高的能量收集效率，但此類(lèi)PEH結(jié)構(gòu)難于收集環(huán)境中廣泛

2、存在的多頻和寬頻的振動(dòng)能。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了兩種新型PEH結(jié)構(gòu)，分別為適于收集多頻振動(dòng)的“多模態(tài)壓電能量收集器”（Multi-mode Piezoelectric Energy Harvester,MPEH）和適于收集寬頻振動(dòng)的“寬頻帶壓電能量收集器”（Wide-band Piezoelectric Energy Harvester,WPEH）。此外，本文還研制了適合這些PEH結(jié)構(gòu)的PEH電路，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)一款微處理器的實(shí)時(shí)供電

3、。
　　MPEH通過(guò)在傳統(tǒng)壓電懸臂梁上附加多個(gè)諧振器增加工作頻率的數(shù)量。當(dāng)這些工作頻率與環(huán)境中多個(gè)激勵(lì)頻率匹配時(shí)，MPEH就能有效地收集振動(dòng)能。為了分析諧振器的設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)工作頻率和工作效率的關(guān)系，基于歐拉梁假設(shè)建立了MPEH的機(jī)電耦合分布參數(shù)模型，并利用 MPEH的有限元模型驗(yàn)證了該分布參數(shù)模型的有效性。MPEH的參數(shù)分析表明：通過(guò)調(diào)節(jié)諧振器參數(shù)可以調(diào)節(jié)MPEH的工作頻率，還可以將MPEH的反共振峰移到多個(gè)共振峰外，從而提高工

4、作頻率間的能量收集效率。
　　附加一個(gè)諧振器的壓電懸臂梁（Piezoelectric cantilever with one oscillator，Osc-PC）是簡(jiǎn)單而特殊的MPEH，它可以有兩個(gè)工作模態(tài)。采用柔度法（Receptance Method）推導(dǎo)出Osc-PC工作頻率的設(shè)計(jì)方程使其工作頻率能與兩個(gè)給定的激勵(lì)頻率匹配。研究表明：選用較大的諧振器質(zhì)量比能增加對(duì)壓電懸臂梁的作用力從而提高局部電能輸出；選擇合適的位置比可增加

5、壓電材料大應(yīng)變的分布區(qū)域從而獲得較高的能量收集效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Osc-PC在較寬頻域內(nèi)都優(yōu)于傳統(tǒng)壓電懸臂梁，在一階模態(tài)其能量收集效率提高了近3倍。
　　附加多個(gè)諧振器的MPEH只采用由諧振器主導(dǎo)的共振頻率作為工作頻率，即一個(gè)諧振器只用于產(chǎn)生一個(gè)工作頻率，這樣可以保證MPEH的效率并使其工作頻率可被設(shè)計(jì)?；贠sc-PC的工作頻率設(shè)計(jì)方程推導(dǎo)出MPEH的集中參數(shù)模型，用于在已知激勵(lì)頻率時(shí)求MPEH的結(jié)構(gòu)參數(shù)使其工作頻率與激勵(lì)頻率

6、相匹配。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)MPEH的體積和重量的約束，以MPEH多個(gè)匹配工作頻率上輸出電能的總和最大化為優(yōu)化目標(biāo)，提出了MPEH參數(shù)的優(yōu)化方法和設(shè)計(jì)步驟。實(shí)驗(yàn)表明MPEH兩個(gè)匹配工作頻率上輸出的平均功率相對(duì)傳統(tǒng)壓電懸臂梁提高了82％。
　　WPEH由Osc-PC和一個(gè)非線性磁力激振器組成，利用磁力激振器進(jìn)一步改善Osc-PC的寬頻性能。為了對(duì)WPEH中磁對(duì)吸引和排斥等配置情況進(jìn)行研究，建立了WPEH的分布參數(shù)模型并采用龍格-庫(kù)塔法對(duì)非

7、線性系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值求解。研究發(fā)現(xiàn)：磁力激振器中磁塊吸引配置時(shí)表現(xiàn)“軟彈簧”特性，將其共振頻率設(shè)計(jì)在Osc-PC共振峰左側(cè)，利用其共振激勵(lì)可以拓寬Osc-PC的工作頻帶；磁力激振器中磁塊排斥配置時(shí)表現(xiàn)“硬彈簧”特性，將其共振頻率設(shè)計(jì)在Osc-PC的峰谷處，利用其大幅的振動(dòng)激勵(lì)可以提高峰谷處的性能。實(shí)驗(yàn)中WPEH兩磁塊吸引配置時(shí)的工作帶寬是傳統(tǒng)壓電懸臂梁的工作帶寬的2.8倍。此外，不同于傳統(tǒng)非線性PEH結(jié)構(gòu)只能在大幅激勵(lì)下才能表現(xiàn)非線性獲得

8、寬頻的效果，磁力激振器能在微幅隨機(jī)激勵(lì)下使WPEH保持寬頻的特性。
　　為研制與MPEH相適應(yīng)的PEH電路，采用機(jī)電類(lèi)比法建立了MPEH的等效電路模型用于分析多頻能量收集中PEH結(jié)構(gòu)和PEH電路的耦合關(guān)系。以整流穩(wěn)壓專用集成電路LTC3588為核心研制了PEH電路，與一種MPEH構(gòu)成PEH系統(tǒng)并進(jìn)行了集成測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明該P(yáng)EH系統(tǒng)在較小振幅的激勵(lì)下可以實(shí)時(shí)地為一款微處理器供電，使其能每隔幾秒點(diǎn)亮一盞LED；而且該P(yáng)EH系統(tǒng)在多頻激