弹性支撑双稳压电悬臂梁振动响应及能量采集研究.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 9 (2014) 090501 弹性支撑双稳压电悬臂梁振动响应及 能量采集研究 高毓璣 冷永刚 范胜波 赖志慧 1) (天津大学机械工程学院, 天津 300072) 2)(天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室, 天津 300072) ( 2013 年11 月15 日收到; 2014 年1 月21 日收到修改稿) 在分析了常规刚性支撑非线性能量采集系统的研究基础上, 提出外部磁铁弹性支撑的结构设想, 保证系 统在低强度激励条件下也能处于双稳态振荡, 提高机电能量转换效率. 研究表明, 对于强度变化的随机激励 历程, 弹性支撑非线性能量采集系统不需要实时调整磁铁间距, 能够更好地迎合强度时刻变化的随机激励源, 实现高效的机电能量转换. 关键词: 能量采集, 双稳结构, 压电悬臂梁, 弹性支撑 PACS: 05.45.–a, 05.40.–a, 02.60.Cb DOI: 10.7498/aps.63.090501 我维持电源研究中的一大热点. 在振动能量采集器 1 引 言 中, 压电式振动能量采集方式较为普遍, 它利用压 电材料的正压电效应, 即压电晶体受到外界振动力 近年来, 随着微电子技术和无线技术的发展, 的作用而引起其内部电荷的流动, 达到产生电信号 手持型电子设备和无线传感器进入了小型、低功耗 ? 和输出电能的目的 . 由于直线型悬臂梁结构可产 12 化的时代 . 通常情况下, 这些设备都是依靠传 生最大的挠度和柔顺系数, 具有较低的谐振频率和 统的电池来提供能量, 如镍氢电池、锂聚合物电池 较宽的动态范围, 且拥有结构钢度低、高灵敏度、容 等. 但是, 传统电池存在的缺点在于, 一是相对于 易通过微细加工实现等优点, 因此压电悬臂梁式振 微型传感器其体积仍然较大, 限制了微传感器的进 动能量采集器成为压电式振动能量采集器的首选 一步小型化; 二是供能寿命有限, 使用一段时间后 结构5−8 . 需要更换或者充电, 对于放置在恶劣环境或者遥远 压电悬臂梁振动能量采集器按系统运动方程 地区的无线传感器而言, 这是个很严重的制约条 又可分为线性与非线性两种系统方式. 这里的线性 件. 因此, 人们希望制造出一种可以吸收周围环境 是指系统的运动方程只含有变量及其导数的一次 能量的器件, 为电池充电甚至取代传统电池, 这种 9 项 , 相应的, 非线性是指系统的运动方程含有状 器件就是能量采集器. 态变量或其导数的高次项. 传统线性压电悬臂梁振 由于能量采集器可以把环境中存在的能量转 动能量采集器的工作条件是振动激励与线性系统 换成电能, 而成为一种可代替电池和可自我维持的 产生共振, 进而达到最大能量获取目的, 这种能量 34 新型电源, 因此正受到越来越广泛的重视 . 振