采用弯曲梁的压电式多方向宽频振动能量采集器

陈旺 代显智 张章 王旭明 朱艳生

摘 要：针对现有宽频多方向能量采集器频带窄、结构复杂、成本高等不足，本文提出了一种采用L型弯曲弹性梁的宽频多方向振动能量采集器，并探讨其工作原理、进行实验研究。结果表明：当外界加速度0.4g时，在x、y方向获得宽频采集特性，其带宽约5Hz，z方向带宽约2Hz;在x、y、z方向分别得到约2.5、3V和6V的峰-峰值电压。可见，弯曲弹性梁压电式多方向宽频振动能量采集器不仅具有宽频特性，而且还实现了多方向的能量采集。

关键词：振动能量采集器;弯曲梁;压电式;宽频;多方向

中图分类号：TM919文献标识码：A文章编号：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，因低功率电子元件和无线传感器技术等的高速发展，传统电池在环境保护、设备维护和保养成本等方面已经不足以满足当今技术的发展需要。利用振动能量采集器采集外界环境中废弃或无用的振动能，为微型低功耗电子设备提供所需的能量成为一种可能的途径[1]。

环境中的振动具有可变化、多方向以及多频率的特点。为了从环境中采集更多有效的能量，并拓宽采集器的应用范围，研发出具有宽频特性的多方向振动能量采集器[2]成为必然的趋势。2015年，Xu J等人[3]利用悬臂摆的方法进行宽频能量采集，在单个悬臂梁上实现了多方向能量采集，该结构的缺点是频率过窄;2016年，Lin Z等人[4]通过三个稳定的磁电转换器和弹簧的相互作用，使一种具有非线性的圆形磁电能量采集器在三维方向具有宽频振动的能力，但其结构复杂且成本较高;2017年，Hai Wang等人[5]利用弹簧与磁耦合的方法制作了一个多方向宽频振动能量采集器，其结构体积偏大且不易制作。

针对现有多方向宽频振动能量采集器频带窄[6]、结构复杂[7]、成本较高[8]等不足，本文提出了一种结构简单的多方向宽频振动能量采集器，并探讨其工作原理、进行实验研究。

1 采集器的工作原理

本文所述的振动能量采集器由矩形基座、压电悬臂梁、L型弯曲弹性梁、左压块、右压块、悬臂梁磁铁、弯曲梁磁铁和铁块等组成，其结构示意图如图1所示，实物图如图片2所示。

压电悬臂梁由具有弹性的铍青铜片和粘接在铍青铜根部的压电陶瓷片PZT-5H构成。其中，压电陶瓷片上下表面覆盖金属电极。悬臂梁一端用左压块固定在矩形基座的左侧，末端固定有一个圆形磁铁。L型弯曲弹性梁由圆柱形的细圆钢弯曲成L形构成，其一端用右压块固定在基座的右侧，末端同样固定有一个圆形磁铁，与悬臂梁末端的磁铁具有一定的间距。两个磁铁极性如图1所示，这可以使压电悬臂梁与L型弯曲弹性梁处于相互排斥的状态。该能量采集器利用弯曲弹性梁的弯曲结构能感应外部任意方向振动的特性，采集外界振动并使压电悬臂梁和弯曲弹性梁上的磁铁间产生非线性磁力，将外部任意方向的振动均转换成非线性振动。在振动作用下，磁力的变化使悬臂梁上的压电片在外力作用下发生形变进而产生电荷，从而将机械能转化为电能。

2 实验结果及讨论

该振动能量采集器实验装置如图3所示。其通过波形信号发生器33220A输出特定的正弦交流信号，并利用功率放大器PA-1200进行信号放大，然后将放大后的信号输入振动台ESS-015进行驱动，使振动台ESS-015振动，并经过采集器采集振动后使应变片受力发生形变进而产生电能，然后利用数字示波器TBS1002观察输出电压。实验中，输入振动加速度的大小可通过测振仪YE5932B观察调节。

保持0.4g加速度不变，振动能量采集器x、y、z三个方向的输出电压峰-峰值随频率变化关系如图4、图5和图6所示。从图中可知，该能量采集器不仅实现了x、y、z三个方向的宽频能量采集，而且还呈现出弱非线性特性。从图4和图5可知，当保持加速度0.4g不变，因L型弯曲梁结构存在一阶和二阶固有频率，所以，x方向在54Hz和60Hz左右分别产生两个约2.5V的峰-峰值，其有效带宽约为5Hz;y方向在54Hz和60Hz左右分别产生两个约3V的峰-峰值，其有效带宽约为5Hz。从图6可知，当保持加速度0.4g不变，因悬臂梁和L型弯曲梁的共同作用，z方向在58、70Hz和120Hz分别产生约为1.3、1.7V和6V的峰-峰值，其有效带宽约为2Hz。可见，该采集器不仅实现了宽频，而且可采集三维多方向的振动能量。

3 結论

本文针对如今多方向能量采集器成本高[9]、频带窄和结构复杂[10]等缺点，设计了一种L型弯曲梁的宽频多方向震动能量采集器。该采集器不仅具有宽频特性，而且还具有多方向特性。此外，本文还分析了采集器的工作原理并且进行了实验研究。实验结果表明：当振动仪加速度为0.4g时，x、y、z方向分别得到约2.5、3V和6V的最大峰-峰值。目前，实验获得的输出电压值还比较低，主要是因为该研究仍处于初步研究阶段，未对采集器进行优化设计。下一步将对采集器进行优化设计，相信一定会获得频带更宽、电压更高的输出。

参考文献：

[1]厄尔图克，英曼.压电能量收集[M].北京：国防工业出版社，2015.

[2]赵念.压电式三维多模态振动能量采集器[D].重庆：重庆大学，2016.

[3]Xu J ，Tang J . Piezoelectric cantilever-pendulum for multi-directional energy harvesting with internal resonance[J]. Applied Physics Letters，2015（21）：197-205.

[4]Lin Z ， Chen J ， Li X ， et al. Broadband and three-dimensional vibration energy harvesting by a non-linear magnetoelectric generator[J]. Applied Physics Letters， 2016（25）：253903.

[5]Wang H， Hu F，Wang K ，et al. Three-dimensional piezoelectric energy harvester with spring and magnetic coupling[J]. Applied Physics Letters，2017（16）：163905.

[6]J Yang，Y Wen，P Li. Magnetoelectric Energy Harvesting from Vibrations of Multiple Frequencies[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2011（14）：1631-1639.

[7]H Xiao，U Wang，Sabu John. A multi-degree of freedom piezoelectric vibration energy harvester with piezoelectric elements inserted between two nearby oscillators[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2016（68-69）：138-154.

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[9]Meruane V，Pichara K . A Broadband Vibration-Based Energy Harvester Using an Array of Piezoelectric Beams Connected by Springs[J]. Shock and Vibration，2016（1）：1-13.

[10]YAO Minghui，MA Li，ZHANG Wei. Study on power generations and dynamic responses of the bistable straight beam and the bistable L-shaped beam[J]. Science China Technological Sciences，2018（9）：1-13.