具有彈性放大器的雙穩態壓電俘能器建模及參數影響分析

張 宇，汪 權，王建國

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，合肥 230009)

1 引 言

壓電俘能器可以將環境振動轉化成電能，為微電子器件自供電提供了一種可行的途徑。線性壓電俘能器LPH只能在固有頻率附近非常有限的帶寬內有效，能量轉化效率低[1-3]。

為了提高能量俘獲的效率，雙穩態非線性俘能器越來越受到學者重視[4]。相對于LPH而言，雙穩態壓電俘能器BPH的輸出電壓和工作頻帶都有大幅度改善[5-10]。然而，當外界激勵強度較低時，BPH無法產生大幅度阱間運動，僅在單一勢阱內產生小幅度阱內運動，因而不能充分發揮BPH的優勢，降低了俘能效率。

為了使俘能器在較低的外部激勵下獲取電能，Aldraihem等[11]提出了帶有彈性放大器EM的俘能器，并建立了相應的分析模型。唐禮平等[12]提出了新型彈性放大器，建立了分布參數型運動微分方程，獲得了相應的解析解。Wang等[13]研究了具有彈性放大器的雙穩態俘能器BPH+EM的非線性動力學特性。彈性放大器的主要功能是放大基底激勵的振幅或加速度，使雙穩態俘能器在較低基底激勵下產生大幅度阱間運動，提高俘能器的工作效率。

本文采用機電耦合的廣義Hamilton原理，建立了具有彈性放大器的雙穩態壓電俘能系統的力學模型，并利用調和平衡法獲得了該系統的解析解。研究了彈性放大器剛度質量比對BPH+EM性能的影響，將BPH+EM與BPH的性能進行了分析對比。

2 俘能器的結構模型

圖1為BPH+EM結構模型。BPH由懸臂式壓電雙晶片復合梁和三個永久磁鐵組成……