壓電能量回收的自適應機械開關電路

黃 瑤，秦 剛， 劉偉群

(西南交通大學 機械工程學院, 四川 成都 610031)

0 引言

近年來，由于壓電材料的能量密度大,使用壽命長，壓電式能量回收裝置已備受關注[1-2]。為提高壓電式能量回收裝置的輸出功率，通常有兩種實現方法：

1) 優化能量收集裝置的結構。

2) 優化能量提取電路。

這兩種方法都能有效地提升裝置的輸出功率。普通標準能量回收電路(SEH)的能量回收效率很低，因此,研究者提出了同步開關電路(SSHI)及同步電荷提取電路(SECE)等，這些電路中引入了同步切換開關來提升輸出功率。目前用得較多的同步開關是采用電路控制的電子斷路器[3-4]或速度控制開關[5]，這些同步開關增加了裝置的功耗。由此，出現了不消耗電能且啟動電壓較低的機械開關[6-9]。大多數機械開關是采用靜態或采用兩自由度的結構作為開關的電極，但這些結構僅能在部分位移幅值附近正常工作，這類機械開關不能完全滿足能量收集電路的要求。因此，本文提出了一種采用粘性材料作為能量收集電路中的機械開關電極，這種機械開關能自動適應不同的位移幅值，能量收集電路的收集效率得到提高。為進一步提升該結構的實用性及可靠性，本文對結構的參數進行了詳細研究與分析。

1 傳統機械開關

傳統機械同步開關是在質量塊的兩側設置2個固定電極并用于SSHI，如圖1所示。圖中，S1、S2表示2個機械開關，D1、D2表示2個二極管，L、Cr分別為電感和電容，RL、VDC分別為負載和負載電壓。SHI電路的同步開關閉合位置越靠近位移峰值，其能量采集效率越高。當質量塊與固定電極接觸時，機械開關導通，其分離后機械開關立即斷開。這種機械開關結構簡單，但當懸臂梁的振幅較小時其不能工作，懸臂梁振幅過大時機械開關又會提前閉合，不僅如此，此時固定電極還會抑制懸臂梁的振動，這都不利于能量采集。實際振動環境大多是噪聲環境，這類機械開關的能量采集效率低，不適合在噪聲振動時采集能量。

圖1 傳統機械開關結構

2 結構原理與參數分析

2.1 粘性材料機械開關原理

本文中自適應機械開關是采用一種粘性材料作機械開關的移動電極，質量塊作為中心電極，如圖2所示。圖中，x1為壓電懸臂梁的位移，K2、μ2分別為粘性材料的剛度和阻尼。這種材料可認為是一個無質量的一階系統，其阻尼力大于彈性恢復力。當懸臂梁在激勵作用下發生振動時，質量塊壓縮粘性材料直到懸臂梁的位移極值點，由于粘性材料的阻尼力大于彈性恢復力，因此，在每個周期內，粘性材料總是在懸臂梁的位移峰值附近與其接觸，并使機械開關閉合，隨著懸臂梁振幅的變化，粘性材料總能適應懸臂梁的幅值，有效提高了SSHI電路的能量采集效率。

圖2 自適應機械開關結構

2.2 正弦激勵參數分析

根據結構原理進行了仿真，正弦激勵仿真結果如圖3所示。圖中，x2、x3分別為2個移動電極的位移。由圖可看出，移動電極的位移能保持在懸臂梁的位移峰值附近。由圖還可看出，正弦激勵時移動電極的接觸位置并不能保證在懸臂梁位移的極值處，這是由系統參數決定的。

圖3 正弦激勵位移響應

為確定最優的系統參數，采用不同頻率的正弦激勵對粘性材料參數進行了仿真分析，如圖4所示。x2、x3與x1的接觸點到x1極值點的距離占1/4周期的比例可定義為相位提前角。由圖4可看出，K2越小，μ2越大，相位提前角越小，機械開關閉合位置越靠近懸臂梁的位移極值點，能量采集效率越高。并且激勵頻率越高，相位提前角越小，這是因為頻率高周期反而小，機械開關連續兩次閉合的時間間隔越小，粘性材料回彈的距離越少。

圖4 正弦激勵參數分析

2.3 噪聲激勵參數分析

由于實際環境中大多數激勵無規律，根據正弦仿真結果，采用噪聲激勵對系統進行仿真，結果如圖5所示。由圖可看出，在位移幅值增加的區域，移動電極的位移都能保持在懸臂梁的位移峰值附近，而在懸臂梁位移幅值減小的區域，移動電極并不能與中心電極接觸，此時機械開關不起作用。這種情況是粘性材料的剛度太低，不能及時回彈引起的，對此在采用噪聲激勵，對系統參數進行分析。

圖5 噪聲激勵位移響應

為評估機械開關的性能，噪聲仿真后選取若干個周期，選用x1、x2的波形為研究對象，提取出每個周期中-Δx(-Δx為x1的最大位移值與x1、x2接觸點位移值的差值)和Δx(Δx為x1、x2未接觸時峰值處的位移差值)，并求-Δx與Δx的均方根值S，S越小，說明x2與x1的接觸點越靠近x1的極值點，此時機械開關閉合更有利于能量采集。圖6為采用噪聲激勵時S隨μ2、K2的變化關系。隨著K2、μ2的增加，S值迅速減小，穩定后逐漸增加，這表明噪聲激勵時系統參數有一組最優值，采用最優值移動電極能在中心電極的峰值附近與其接觸，并能在大多數周期內機械開關能正常工作。這個結果與正弦激勵的仿真結果有很大區別，實際使用中應根據激勵選擇合適的系統參數，使系統的能量采集性能達到最優。

圖6 噪聲激勵參數分析

2.4 功率分析

圖7為分別采用正弦激勵和噪聲激勵進行仿真得到負載功率與系統參數的關系。由圖可看出，正弦激勵時，粘性材料的K2、μ2越小，負載功率越高，而噪聲激勵時，負載功率有一個最優區域，這與上文分析一致。

圖7 正弦與噪聲激勵的負載功率

3 實驗測試

首先根據仿真參數搭建了實驗平臺，如圖8所示。實驗采用貼有壓電片的懸臂梁作為集能器，懸臂梁末端有一質量塊作為中心電極，質量塊兩端固定有2個慢回彈泡沫作為粘性材料，其末端覆蓋一層導電材料作為移動電極，初始狀態時中心電極與移動電極剛好接觸。

圖8 實驗平臺

圖9為分別采用正弦激勵和噪聲激勵對系統進行測試結果。由圖9(a)可看出，正弦激勵時，壓電片能獲得較高的電壓，相應的負載輸出功率較高。由圖9(b)可看出，機械開關在大多數周期內都能正常工作，且其相位提前角較小，能量采集效率高，負載能獲得穩定的功率。

圖9 正弦與噪聲激勵的電壓

為了觀察優化后自適應機械開關的優勢，采用頻率為54 Hz的正弦激勵，選擇6種不同的懸臂梁振幅分別采用自適應機械開關SSHI電路、電子斷路器SSHI電路、標準電路進行實驗測試。實驗結果如圖10所示。實驗發現，自適應機械開關電路的負載功率高于電子斷路器電路，且遠高于標準電路，隨著懸臂梁幅值的增大，自適應機械開關電路的優勢更明顯，這表明所提出的自適應機械開關性能良好。

圖10 不同電路的負載功率

4 結束語

本文提出了一種采用粘性材料作為移動電極的自適應機械開關。分別采用正弦和噪聲激勵進行系統仿真，參數研究表明，在正弦激勵下低剛度、高阻尼的移動電極材料更利于能量采集，而在噪聲激勵下移動電極材料的參數有一最優區間，在最優區間內SSHI電路的能量提取效率較高，同樣的負載能夠獲得更高的功率。通過實驗測試發現，無論是正弦激勵還是噪聲激勵，所提出的自適應機械開關能很好地自適應懸臂梁的幅值，并且所采集到的負載功率明顯高于電子斷路器電路和標準電路，SSHI電路的能量提取效率明顯提高。