双自由度压电振动能采集器的力-电输出特性分析.docVIP

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析（号：201306022）展永政 , 王光庆（浙江工商大学信息与电子工程学院 浙江 杭州 310018） 摘要：在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器，构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了压电能量采集器的有限元力-电耦合模型，数值分析了模型中各参数（如质量比、阻尼比以及负载电阻等）对系统力特性（速度、加速度等）和电输出特性（电压、电流、输出功率等）的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率，并能拓展其工作频带；短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流，而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压；研究结果还表明：对于尺寸为50.8×31.8×0.26 mm的悬臂梁基板和50.8×31.8×0.14 mm的压电晶体构成的双自由度系统，在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下，系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4386.5 mW和4263.4 mW，是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10 Hz，是单自由度系统的5倍。 关键词：宽频带；压电材料；振动能量采集器；双自由度；力-电耦合模型 中国分类号：TN712+.5; TN752 文献标识码：A 文章编号： 引言 便携设备和无线传感器使用传统电池供电，这种电池不仅供能寿命有限、需要频繁更换[1-2]，还引起环境污染。能量采集器通过从周围环境（如风能、热能和振动等）获取能量，向超低功率的微处理设备供电。振动能量采集器由于成本低和高功率等特点引起研究者的兴趣。目前，振动机电转换机制主要通过静电[3]、电磁[4]和压电[5]三种机制来实现，其中，压电式振动能量采集器(Piezoelectric vibration energy harvester, 简称PVEH)转换电能时不需要额外的功率，还具有易制作，简易机电结构和高功率密度等优点。因此，压电振动能量采集器成为微能源研究领域的热点。 传统压电振动能量采集器由压电双晶片或压电单晶片悬臂梁构成，它是单自由度系统（Single-degree-of-freedom，简称SDOF）。虽然这种压电振动能量采集器能够在谐振状态下输出高功率，但是激发条件易受环境影响，以难于保证在谐振时刻输出高功率。因此，为了提高压电振动能量采集器的能量转换效率，必须研究宽频压电采集技术，使压电振动能量采集器在一定的频率范围内产生谐振或近似谐振。Liao和Sodano[6]采用了优化参数的方法来建立数学理论模型以拓宽频率，但是忽略了能量采集器内部阻抗与最优负载阻抗的关系，不能准确地表明输出功率最大化的本质。Challa[7]和Wu[8]等利用调整频率的方法对宽频进行了研究，但是这种情况只能工作于频率变化缓慢的情况下，对频率调节器的精度要求更高，且智能型微调节器难以实现。另外，Ma[9]引进动态放大器建立数学模型来研究宽频压电振动能量采集器，但忽略了能量采集器的机电耦合效应。Aldraihem和Baz[10]利用动态放大器确定了机电模型，并研究了动态放大器对输出功率的影响，但是忽略了系统阻尼和负载电阻对系统性能的影响。 本文在原有单自由度压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器，形成具有自由度 (Two-degrees-of-freedom，简称TDOF)的压电振动能量采集器(简称PVEH)，达到提高能量采集器的输出功率和拓宽工作频带的目的。为了能够清楚地解析压电能量采集器的各参数对其输出性能的影响，指导其输出性能的精确预测及优化设计，本文利用有限元方法，综合考虑采集器本体结构与负载电路间、电极与压电陶瓷间以及采集器本体结构与弹簧间的相互耦合作用，建立了带有弹簧放大器的自由度高效压电悬臂梁振动能量采集器的有限元机电模型，并利用ANSYS有限元软件研究了系统参数（如质量比、阻尼比以及负载电阻等）对振动特性以及电输出特性的影响。 1. TDOF压电振动能量采集器的构造及其建模 1.1 TDOF压电振动能量采集器的构造 图1是TDOF压电悬臂梁振动能量采集器的结构示意图。 整个能量采集器由末端带有集中质量Mt的SDOF压电双晶片悬臂梁系统和一个弹簧-质量-阻尼构成的弹性放大器系统(Elastic amplifier system, 简称EAS) 组成。压电悬臂梁系统由金属基板、双压电晶片、末端集中质量Mt和负载电路组成。双压电晶片PZT1、PZT2通过环氧树脂黏结到金属基板的上、下表面，它们沿厚度方向极化，且极化方向相反（如图1“↓”、“↑”所示），并通过串联形式连接于外加负载电阻RL（注：该电阻为能量采集器电输出端