气体耦合式宽带_低频压电振动俘能器_王淑云

第２期
王 淑 云 ，等 ：气 体 耦 合 式 宽 带／低 频 压 电 振 动 俘 能 器
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再关闭开关阀，压 电 振 子 两 侧 所 受 流 体 压 力 相 等 （不 发 生 弯 曲 变 形 ）。 当 缸 体 受 外 界 激 励 而 使 活 塞 产生运动时，压 电 振 子 两 侧 （即 气 缸 上 腔 Ａ 及 下 腔Ｂ 内）气 体 压 力 交 替 增 加 或 减 小，使 其 弯 曲 变 形并将机械 能 转 换 成 电 能。 就 功 能 而 言，所 提 出 的 俘 能 器 可 用 于 单 纯 能 量 回 收 、被 动 振 动 抑 制 （直 接将所收集的电能 耗 散 掉）及 基 于 同 步 开 关 能 量 回收技术 的 ［４－６］ 主 动 控 制，本 文 仅 研 究 其 俘 能 特 性。
针对压电俘能器的研究现状和自供电振动控 制 的 新 需 求 ，作 者 提 出 了 基 于 气 体／液 体 耦 合 作 用 的压电振动俘 能 器［７，８］，其 优 势 在 于：流 体 具 缓 冲 性，可 避 免 压 电 振 子 受 刚 性 冲 击、可 靠 性 高；易 通 过流体背压调节 降 低 系 统 刚 度 及 基 频，可 实 现 低 频 、宽 带 振 动 能 量 回 收 ；易 于 实 现 多 压 电 振 子 同 步 工 作 ，发 电 能 力 强 。 此 外 ，该 类 俘 能 器 在 发 电 的 同 时具有 振 动 抑 制 效 果。 在 以 往 的 工 作 中［７，８］，通 过 “结 构 振 动 ”条 件 下 试 验 证 明 了 流 体 耦 合 式 俘 能
器的可行性，本文以 “汽 车 悬 架 等 基 础 振 动”条 件 下 的 俘 能 器 （实 为 振 动 领 域 的 气 体 隔 振 器 ）为 研 究 目标，通过理论和 试 验 研 究 了 相 关 要 素 对 其 俘 能 特性的影响规律，为 进 一 步 形 成 自 供 能 半 主 动 隔 振器提供了前期基础。
Ｗｉｄｅｂａｎｄ／ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｎｅｕｍａｔｏ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｓｈｕ－ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｙｉ，ＫＡＮ Ｊｕｎ－ｗｕ＊ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ－ｈｕａ，ＹＵ Ｌｉ，ＣＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｍｉｎｇ
第 ２３ 卷 第 ２ 期 ２０１５年２月
光学 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．２０１５
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１５）０２－０４９７－０７
气体耦ห้องสมุดไป่ตู้式宽带／低频压电振动俘能器
２ 俘能器的结构及原理
俘 能 器 的 结 构 如 图 １ 所 示 ，它 主 要 由 气 缸 、平 衡 弹 簧 、质 量 块 、蓄 能 器 、换 能 器 （压 电 振 子 ＋ 流 体 腔）、开关阀 及 管 路 等 构 成。 当 气 缸 振 动 时，活 塞 因受质量块惯性 力 作 用 形 成 相 对 运 动，从 而 使 其 上 、下 腔 内 流 体 压 力 交 替 增 加 或 减 小 、带 动 换 能 器 内压电振子产生弯曲变形发电。与单体压电振子 构成的振动俘能 器 不 同，采 用 压 缩 空 气 与 压 电 体 的耦合作用实现 运 动 的 转 换 与 能 量 传 递，可 实 现 多 压 电 振 子 联 合 工 作 ，尤 其 适 用 于 宽 带 、低 频 及 大 振 幅 振 动 能 量 捕 获 及 主／被 动 振 动 控 制 。
ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
１ 引 言
压 电 俘 能 器 具 有 结 构 简 单、不 发 热、易 于 制 作 、无 电 磁 干 扰 等 优 势 ，受 到 了 国 内 外 学 者 的 广 泛 关注。目前，压电 俘 能 器 的 发 电 能 力 已 可 满 足 某 些微功率 远 程 传 感 或 埋 植 监 测 系 统 的 自 供 电 需 求 。 ［１－３］ 除用 于 微 功 率 电 子 器 件 的 电 源 外，近 年 来，又有学者相继 提 出 了 基 于 多 种 原 理 的 压 电 自 供电振动控制技 术，即 通 过 同 步 开 关 能 量 回 收 技 术将压电俘能器捕获的电能直接用于结构的振动 抑制［４－６］。实现这 一 目 的 的 最 关 键 问 题 在 于 如 何 进一步提高压电 俘 能 器 的 发 电 能 力 及 可 靠 性；同 时，还 需 降 低 俘 能 器 固 有 频 率、增 加 有 效 带 宽，以 便与环境频率相适应。目前普遍采用单体压电振 子 构 成 的 俘 能 器 在 发 电 量 、可 靠 性 、频 率 及 带 宽 等 方面都无法满足这 一 需 求，原 因 在 于：（１）压 电 陶 瓷 较 脆 ，受 力 或 变 形 过 大 时 易 碎 ，无 法 用 于 直 升 机 螺旋 桨 摆 动、航 空 器 表 面 振 动、火 箭 发 射 隔 振、汽 车 悬 挂 减 振 等 振 动 冲 击 和 强 度 较 大 的 场 合 ；（２）单 体 压 电 振 子 基 频 （数 千 或 上 万 赫 兹 ）远 高 于 环 境 频 率 （通 常 仅 几 十 或 十 几 赫 兹 ）、且 带 宽 窄 ，不 适 于 低 频 、宽 带 的 振 动 环 境 。
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｈｕａ３２１００４，Ｃｈｉｎａ） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｕｔｋｊｗ ＠１６３．ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｎｅｕｍａｔｏ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ （ＰＨＰＶ）ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ ｐｏｗｅｒｅｄ ａｃｔｉｖｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ＰＨＰＶ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＰＨＰＶ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ／ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ／ｐｉｅｚｏ－ ｄｉｓｃ，ｐｒｏｏｆ－ｍａｓｓ，ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｓｏ ｏｎ．Ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ＰＨＰＶ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ａ ｐｅａｋ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ａ ｍｉｎｉｍａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ＰＨＰＶ ｔｏ ｗｏｒｋ ｎｏｒｍａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｏｆ－ｍａｓｓ ａｎｄ ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｇｒｅｅｓ，ｂｕｔ ｅｘｅｒｔｓ ｎｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｂｙ ａｐｉｅｚｏｄｉｓｃ ｗｉｔｈ
收 稿 日 期 ：２０１４－０６－２０；修 订 日 期 ：２０１４－０７－２７． 基金项目：国家自然科学基金资 助 项 目 （Ｎｏ．５１３７７１４７，Ｎｏ．５１２７７１６６，Ｎｏ．５１２０５３６６，Ｎｏ．５１１７５４７８）；浙 江 省 科 技
计 划 资 助 项 目 （Ｎｏ．２０１３Ｃ３１１１０）．
图 １ 俘 能 器 结 构 及 原 理 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ
对于图１所 示 的 振 动 俘 能 器，先 在 非 工 作 状 态将 开 关 阀 开 启，通 过 调 节 集 中 质 量 Ｍ、系 统 背 压ｐｂ、或弹簧力使气缸活塞 处 于 某 一 平 衡 位 置 后
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光学 精密工程
第 ２３卷
ｗｉｔｈ ｐｉｅｚｏｄｉｓｃ ｍｅａｓｕｒｅｄФ６０×０．９ ｍｍ３ ａｎｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｄФ１６×１００ ｍｍ３，ａ ＰＨＰＶ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｖｏｌｔａｇｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅｓ／ｐｒｏｏｆ－ｍａｓ－ ｓｅｓ．Ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｏｆ ｐｒｏｏｆ－ｍａｓｓ／ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｃｒｉｔｉｃａｌ－ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｍａｘｉｍａｌ－ｖｏｌｔａｇｅ／ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ａｒｅ ｉｎ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｒｅ－ ｑｕｅｎｃｙ ａｌｍｏｓｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｏｆ ５５Ｈｚ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｔ ｇｉｖｅｎ ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ０．４ ＭＰａ ａｎｄ ｐｒｏｏｆ ｍａｓｓ ｏｆ １０ ｋｇ，ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｍａｘｉｍａｌ－ｖｏｌｔａｇｅ／ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ２５Ｖａｒｅ ９ Ｈｚ／８８Ｖ／７２ Ｈｚ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ０．３６／２／２．２ｔｉｍｅｓ ｔｈｏｓｅ ａｔ ０．４ ＭＰａ ａｎｄ １０ｋｇ，ｒｅ－ ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ；ｐｎｅｕｍａｔｏ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ；