陳旺 代顯智 張章 王旭明 朱艷生

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有寬頻多方向能量采集器頻帶窄、結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)能量采集器，并探討其工作原理、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)外界加速度0.4g時(shí)，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?？梢?，彎曲彈性梁壓電式多方向?qū)掝l振動(dòng)能量采集器不僅具有寬頻特性，而且還實(shí)現(xiàn)了多方向的能量采集。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)能量采集器;彎曲梁;壓電式;寬頻;多方向

中圖分類號(hào)：TM919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(shù)等的高速發(fā)展，傳統(tǒng)電池在環(huán)境保護(hù)、設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)成本等方面已經(jīng)不足以滿足當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展需要。利用振動(dòng)能量采集器采集外界環(huán)境中廢棄或無用的振動(dòng)能，為微型低功耗電子設(shè)備提供所需的能量成為一種可能的途徑[1]。

環(huán)境中的振動(dòng)具有可變化、多方向以及多頻率的特點(diǎn)。為了從環(huán)境中采集更多有效的能量，并拓寬采集器的應(yīng)用范圍，研發(fā)出具有寬頻特性的多方向振動(dòng)能量采集器[2]成為必然的趨勢(shì)。2015年，Xu J等人[3]利用懸臂擺的方法進(jìn)行寬頻能量采集，在單個(gè)懸臂梁上實(shí)現(xiàn)了多方向能量采集，該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是頻率過窄;2016年，Lin Z等人[4]通過三個(gè)穩(wěn)定的磁電轉(zhuǎn)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(dòng)的能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)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(gè)多方向?qū)掝l振動(dòng)能量采集器，其結(jié)構(gòu)體積偏大且不易制作。

針對(duì)現(xiàn)有多方向?qū)掝l振動(dòng)能量采集器頻帶窄[6]、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]、成本較高[8]等不足，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多方向?qū)掝l振動(dòng)能量采集器，并探討其工作原理、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 采集器的工作原理

本文所述的振動(dòng)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，實(shí)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(gòu)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(cè)，末端固定有一個(gè)圓形磁鐵。L型彎曲彈性梁由圓柱形的細(xì)圓鋼彎曲成L形構(gòu)成，其一端用右壓塊固定在基座的右側(cè)，末端同樣固定有一個(gè)圓形磁鐵，與懸臂梁末端的磁鐵具有一定的間距。兩個(gè)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(tài)。該能量采集器利用彎曲彈性梁的彎曲結(jié)構(gòu)能感應(yīng)外部任意方向振動(dòng)的特性，采集外界振動(dòng)并使壓電懸臂梁和彎曲彈性梁上的磁鐵間產(chǎn)生非線性磁力，將外部任意方向的振動(dòng)均轉(zhuǎn)換成非線性振動(dòng)。在振動(dòng)作用下，磁力的變化使懸臂梁上的壓電片在外力作用下發(fā)生形變進(jìn)而產(chǎn)生電荷，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

該振動(dòng)能量采集器實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。其通過波形信號(hào)發(fā)生器33220A輸出特定的正弦交流信號(hào)，并利用功率放大器PA-1200進(jìn)行信號(hào)放大，然后將放大后的信號(hào)輸入振動(dòng)臺(tái)ESS-015進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使振動(dòng)臺(tái)ESS-015振動(dòng)，并經(jīng)過采集器采集振動(dòng)后使應(yīng)變片受力發(fā)生形變進(jìn)而產(chǎn)生電能，然后利用數(shù)字示波器TBS1002觀察輸出電壓。實(shí)驗(yàn)中，輸入振動(dòng)加速度的大小可通過測(cè)振儀YE5932B觀察調(diào)節(jié)。

保持0.4g加速度不變，振動(dòng)能量采集器x、y、z三個(gè)方向的輸出電壓峰-峰值隨頻率變化關(guān)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(shí)現(xiàn)了x、y、z三個(gè)方向的寬頻能量采集，而且還呈現(xiàn)出弱非線性特性。從圖4和圖5可知，當(dāng)保持加速度0.4g不變，因L型彎曲梁結(jié)構(gòu)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(chǎn)生兩個(gè)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(chǎn)生兩個(gè)約3V的峰-峰值，其有效帶寬約為5Hz。從圖6可知，當(dāng)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(chǎn)生約為1.3、1.7V和6V的峰-峰值，其有效帶寬約為2Hz?？梢?，該采集器不僅實(shí)現(xiàn)了寬頻，而且可采集三維多方向的振動(dòng)能量。

3 結(jié)論

本文針對(duì)如今多方向能量采集器成本高[9]、頻帶窄和結(jié)構(gòu)復(fù)雜[10]等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種L型彎曲梁的寬頻多方向震動(dòng)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)振動(dòng)儀加速度為0.4g時(shí)，x、y、z方向分別得到約2.5、3V和6V的最大峰-峰值。目前，實(shí)驗(yàn)獲得的輸出電壓值還比較低，主要是因?yàn)樵撗芯咳蕴幱诔醪窖芯侩A段，未對(duì)采集器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下一步將對(duì)采集器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，相信一定會(huì)獲得頻帶更寬、電壓更高的輸出。

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