变截面三角形压电振动能量收集器的特性研究*

马天兵,丁永静,杜 菲,陈南南,贾世盛

(安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南 232000)

0 引 言

近年来,微功耗电子设备的不断发展促进了与之相关的自供电技术的发展[1],但传统的自供电大多为化学电池,化学电池存在体积大、使用寿命有限、特殊场合不易更换等缺点,使得化学电池的应用受到限制[2],俘获环境中的能量为微功耗电子设备供电成为有效的解决办法[3]。振动能量因其存量丰富、能量密度较高等优点使得压电发电技术受到广泛关注[4,5]。在压电能量收集结构研究方面,经典矩形悬臂梁结构存在采集效率低、输出电压低及功率小等缺点。为改进上述问题,刘延彬[6]研究了一种微型等强度梁式压电振动能量收集结构,相比于传统的等截面压电振动能量收集结构,等强度压电振动能量收集装置具有固有频率低、表面应力分布合理等优点；杜小振等人[7]设计了磁力调频压电电磁复合能量收集发电装置,该装置通过调节末端磁性质量块与上下磁铁的距离来调节压电梁的等效刚度,匹配环境振动频率,提高能量采集效率；佘引等人[8]提出了一种共质量块压电阵列结构,实验结果表明,同等激励条件下输出功率基本一致,串联结构输出电压大大提高,但采集频带未做改进；Dhote S等人[9]设计了一种非线性多模宽频压电振动能量收集器,实验结果表明,在较低频率下有多个振动模式,采用柔性结构设计,拓宽了频带宽度,增大了结构的输出电压。

针对上述结构的不足,为提高压电能量采集的实用性,提出了一种变截面三角形压电振动能量收集器结构,该结构以变截面梁结构代替等截面梁结构,降低了压电振动能量收集器的固有频率,对该结构进行建模仿真和实验分析,并探究该结构的开路输出电压以及输出功率。

1 变截面三角形振动能量收集器的描述

图1是变截面三角形压电振动能量收集器的示意图,梁的左端是固定的,右端是自由的,梁分为三段,分别是左端等截面梁、变截面三角形和右端等截面梁,梁材料选用黄铜,变截面三角形上粘贴的压电片为压电陶瓷片,压电陶瓷片的型号是PZT—5H,能量收集器的计算参数如图1所示。

图1 三角形压电振动能量收集器的示意

2 有限元分析

在面积相同的情况下,对压电振子分别为三角形、梯形、矩形(经典悬臂梁结构)的压电振动能量收集器进行静态分析、模态分析和压电分析。由图2可以看出,三角形梁的表面最大应力为1.59 MPa,矩形梁的表面最大应力为1.11 MPa,矩形梁的表面最大应力为1.26 MPa,可以看出变截面三角形压电能量收集器的压电材料利用率最高。

图2 应力分布

图3(a)为根据模态分析计算出不同形状压电振子的固有频率图对比图,图3(b)为根据压电分析计算出不同形状形状压电振子的开路输出电压对比图。从图3可以看出,在相同条件下,三角形梁固有频率最低,其值为39 Hz,开路输出电压最大,其值为5.5 V,相比于梯形梁和矩形梁,变截面三角形压电悬臂梁不仅具有更高的输出电压,而且固有频率也更低。

图3 不同截面压电悬臂梁固有频率和输出电压

当悬臂梁末端质量块不同时,变截面三角形压电能量收集器的输出电压—频率曲线如图4(a)所示,由图可知,能量收集器的开路电压随着质量块的增大先增大后减小,当质量块质量块为0.6 g时,开路电压最大达到2.63 V。由图4(b)可以看出,随着外界激励加速度的幅值增加,变截面三角形压电能量收集装置的输出电压亦增大。

图4 不同质量块和加速度下的输出电压—频率曲线

3 实验研究

为了对变截面三角形压电振动能量收集器的输出性能进行实验测试,设计搭建如图5(a)所示的试验台,制作如图5(b)所示的收集结构。

图5 实验装置

图6(a)是外界激励加速度1.0gn、压电能量收集器末端安装不同质量的质量块时,开路输出电压曲线。由图可知,能量收集器的开路电压随着质量块的增大先增大后减小,当质量块质量为0.6 g时,开路电压最大达到4.32 V。图6(b)是压电能量收集器末端质量块质量为0.6 g，压电能量收集器在外界不同激励加速度下,开路输出电压曲线,由图中可以得知,随着外界激励加速度的增加,压电俘能器的开路输出逐渐增大,从理论上来说,随着外界激励加速度的增加,压电能量收集器的固有频率不变,但在实验过程中,固有频率有小范围偏差也是在允许的。

图6 不同质量块和激励加速度下的输出电压曲线

由上面的实验结果可知：压电俘能器的共振频率开路输出电压与前一节有限元仿真分析结果大体上一致。由此可以验证实验结果的准确性,但是实验环境与仿真分析的环境不同,实验环境中一定会存在一定的偏差,最终以实验结果为主要参考依据。

图7当外界激励振动加速度为1.0gn时、在标准能量接口电路下,末端安装不同质量块的整流输出功率曲线所示。由图7(a)可知,俘能器末端质量块是0 g时,在最优电阻为40 kΩ时,俘能器的最大输出功率可达256 μW；由图7(b)可知,俘能器末端质量块是0.6 g时,在最优电阻为40 kΩ时,俘能器的最大输出功率可达441 μW;由图7(c)可知,俘能器末端质量块是1.2 g时,在最优电阻为40 kΩ时,俘能器的最大输出功率可达36 μW。

图7 不同质量块的整流输出功率曲线

由图7可知：俘能器输出功率的大小与压电装置阻抗和外界电阻的大小有关,当外界电阻与俘能器相匹配时,才能输出最大功率；当外界激励振动加速度为1.0gn时,俘能器末端质量块是0.6 g时,在标准能量接口电路下,在最优电阻为40 kΩ时,俘能器的最大输出功率可达441 μW,可以满足为微功耗器件供电的要求。

4 结束语

为了提高压电振动能量收集器的实用性,提出一种变截面三角形压电振动能量收集器,对其进行有限元分析,并且与矩形梁和梯形梁进行对比,得出三角形梁压电振动能量收集器的整体能量收集效果优于矩形梁和梯形梁,具体表现为：压电材料利用率高、固有频率低和开路输出电压高；并搭建实验平台,对变截面三角形压电能量收集器进行电压和功率测试,试验结果表明:该能量收集器的最大输出功率为441 μW,满足微功耗器件供电的要求。