采用彎曲梁的壓電式多方向寬頻振動能量采集器

陳旺 代顯智 張章 王旭明 朱艷生

摘 要：針對現有寬頻多方向能量采集器頻帶窄、結構復雜、成本高等不足，本文提出了一種采用L型彎曲彈性梁的寬頻多方向振動能量采集器，并探討其工作原理、進行實驗研究。結果表明：當外界加速度0.4g時，在x、y方向獲得寬頻采集特性，其帶寬約5Hz，z方向帶寬約2Hz;在x、y、z方向分別得到約2.5、3V和6V的峰-峰值電壓。可見，彎曲彈性梁壓電式多方向寬頻振動能量采集器不僅具有寬頻特性，而且還實現了多方向的能量采集。

關鍵詞：振動能量采集器;彎曲梁;壓電式;寬頻;多方向

中圖分類號：TM919文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0045-04

Abstract： In view of the shortcomings of the existing broadband multi-directional energy collector， such as narrow frequency band， complex structure and high cost， a broadband multi-directional vibration energy collector with L-shaped flexural elastic beam was proposed in this paper， and its working principle and experimental research are discussed. The results show that when the external acceleration is 0.4g， the broadband acquisition characteristics are obtained in the x and y directions， with a bandwidth of about 5Hz， a bandwidth of about 2Hz in the z direction， and a peak-peak voltage of about 2.5， 3V and 6V in the x， y and z directions， respectively. It can be seen that the piezoelectric multi-directional broadband vibration energy collector with flexural elastic beams not only has broadband characteristics， but also achieves multi-directional energy acquisition.

Keywords： vibration energy harvesting;curved beams;piezoelectric;broadband;multidirectional

近年來，因低功率電子元件和無線傳感器技術等的高速發展，傳統電池在環境保護、設備維護和保養成本等方面已經不足以滿足當今技術的發展需要。利用振動能量采集器采集外界環境中廢棄或無用的振動能，為微型低功耗電子設備提供所需的能量成為一種可能的途徑[1]。

環境中的振動具有可變化、多方向以及多頻率的特點。為了從環境中采集更多有效的能量，并拓寬采集器的應用范圍，研發出具有寬頻特性的多方向振動能量采集器[2]成為必然的趨勢。2015年，Xu J等人[3]利用懸臂擺的方法進行寬頻能量采集，在單個懸臂梁上實現了多方向能量采集，該結構的缺點是頻率過窄;2016年，Lin Z等人[4]通過三個穩定的磁電轉換器和彈簧的相互作用，使一種具有非線性的圓形磁電能量采集器在三維方向具有寬頻振動的能力，但其結構復雜且成本較高;2017年，Hai Wang等人[5]利用彈簧與磁耦合的方法制作了一個多方向寬頻振動能量采集器，其結構體積偏大且不易制作。

針對現有多方向寬頻振動能量采集器頻帶窄[6]、結構復雜[7]、成本較高[8]等不足，本文提出了一種結構簡單的多方向寬頻振動能量采集器，并探討其工作原理、進行實驗研究。

1 采集器的工作原理

本文所述的振動能量采集器由矩形基座、壓電懸臂梁、L型彎曲彈性梁、左壓塊、右壓塊、懸臂梁磁鐵、彎曲梁磁鐵和鐵塊等組成，其結構示意圖如圖1所示，實物圖如圖片2所示。

壓電懸臂梁由具有彈性的鈹青銅片和粘接在鈹青銅根部的壓電陶瓷片PZT-5H構成。其中，壓電陶瓷片上下表面覆蓋金屬電極。懸臂梁一端用左壓塊固定在矩形基座的左側，末端固定有一個圓形磁鐵。L型彎曲彈性梁由圓柱形的細圓鋼彎曲成L形構成，其一端用右壓塊固定在基座的右側，末端同樣固定有一個圓形磁鐵，與懸臂梁末端的磁鐵具有一定的間距。兩個磁鐵極性如圖1所示，這可以使壓電懸臂梁與L型彎曲彈性梁處于相互排斥的狀態。該能量采集器利用彎曲彈性梁的彎曲結構能感應外部任意方向振動的特性，采集外界振動并使壓電懸臂梁和彎曲彈性梁上的磁鐵間產生非線性磁力，將外部任意方向的振動均轉換成非線性振動。在振動作用下，磁力的變化使懸臂梁上的壓電片在外力作用下發生形變進而產生電荷，從而將機械能轉化為電能。

2 實驗結果及討論

該振動能量采集器實驗裝置如圖3所示。其通過波形信號發生器33220A輸出特定的正弦交流信號，并利用功率放大器PA-1200進行信號放大，然后將放大后的信號輸入振動臺ESS-015進行驅動，使振動臺ESS-015振動，并經過采集器采集振動后使應變片受力發生形變進而產生電能，然后利用數字示波器TBS1002觀察輸出電壓。實驗中，輸入振動加速度的大小可通過測振儀YE5932B觀察調節。

保持0.4g加速度不變，振動能量采集器x、y、z三個方向的輸出電壓峰-峰值隨頻率變化關系如圖4、圖5和圖6所示。從圖中可知，該能量采集器不僅實現了x、y、z三個方向的寬頻能量采集，而且還呈現出弱非線性特性。從圖4和圖5可知，當保持加速度0.4g不變，因L型彎曲梁結構存在一階和二階固有頻率，所以，x方向在54Hz和60Hz左右分別產生兩個約2.5V的峰-峰值，其有效帶寬約為5Hz;y方向在54Hz和60Hz左右分別產生兩個約3V的峰-峰值，其有效帶寬約為5Hz。從圖6可知，當保持加速度0.4g不變，因懸臂梁和L型彎曲梁的共同作用，z方向在58、70Hz和120Hz分別產生約為1.3、1.7V和6V的峰-峰值，其有效帶寬約為2Hz。可見，該采集器不僅實現了寬頻，而且可采集三維多方向的振動能量。

3 結論

本文針對如今多方向能量采集器成本高[9]、頻帶窄和結構復雜[10]等缺點，設計了一種L型彎曲梁的寬頻多方向震動能量采集器。該采集器不僅具有寬頻特性，而且還具有多方向特性。此外，本文還分析了采集器的工作原理并且進行了實驗研究。實驗結果表明：當振動儀加速度為0.4g時，x、y、z方向分別得到約2.5、3V和6V的最大峰-峰值。目前，實驗獲得的輸出電壓值還比較低，主要是因為該研究仍處于初步研究階段，未對采集器進行優化設計。下一步將對采集器進行優化設計，相信一定會獲得頻帶更寬、電壓更高的輸出。

參考文獻：

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