压电能源采集器综述-文档资料

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微型压电能量采集的应用分析

微型压电能量采集的应用分析摘要：无线传感器网络是二十一世纪影响人们生活的关键技术之一，具有广阔的应用前景，而微型能量采集器最有可能代替传统电池为其节点供电，已成为国内外的研究热点。

关键词：无线传感器网络；微型能量采集器引言随着无线通讯与ＭＥＭＳ技术的不断发展，使得微电子设备、微传感器和微型能量收集器等微型机电系统的应用范围不断扩大，包括用于为健康监测的分布式传感器节点、医疗的嵌入式或者植入式传感器节点、大型系统的电池、汽车轮胎压力监测系统、无人飞行器以及家用安全系统等．其应用仍依靠传统的电池来供电，如镍氢电池、锂聚合物电池等．传统电池存在明显的缺陷：一是相对于微型传感器其体积仍然较大，限制了微传感器的进一步微型化；二是供能寿命有限，使用一段时间后需要更换或者充电，对于放置在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器而言，这是个很严重的制约条件．同时目前的技术还没有完全的能力减小传感器节点的尺寸或者替代传统电池而使其应用被限制．因此，微型能量收集材料和系统已经成为一个重要的研究领域并且发展迅速，能量收集器越来越多地受到人们的关注．目前，各国研究者提出的能量采集器的类型主要有三种：压电式、静电式以及电磁式．三者之中，压电式能量收集器具有可与ＭＥＭＳ技术很好地集成、能量输出密度大、无须启动电源、能量采集装置结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、寿命几乎无限、易于加工制作和实现机构的微小化，以及它们能在无法进入的地方和有弹性嵌入的系统中简单实施，并且成本低，没有布线麻烦等诸多优点，因此备受人们欢迎．传统的无线传感器网络节点由普通电池供电，其容量毕竟有限，需要定期更换，给上述系统的应用带来很大不便．同时，大量使用电池还会对环境造成危害．而振动能量的有效收集可以保证有能力为这些传感器供电，并且最终处在一种较高的成本经济效益模式中．通常情况下，利用许多物理效应可以收集能量，包括电伏、电磁和压电效应．对于前面提到的效应，压电能量收集器在使用电能来源方面、在便携或者无线的装置方面具有优势，压电收集器有着最简单的结构但同时也能传递相对较大的电能输出，由于高效率的电能转化，为了提高微型设备电能供应的效率，使用压电薄膜早已被极力推崇．很多关于在中尺寸（厘米级）的能量采集，以替代电池作为唯一电源的研究和产品开发项目已经得到重视，但是在微尺寸能量采集研究方面仍然有待进一步开展．虽然能量收集器的研究与开发尚处在发展阶段，但是微尺寸压电能量收集的可能性已经被这些早期的原型证明了．1压电能量收集技术1.1压电材料压电材料是压电能量收集技术的关键。

压电能量采集器工作原理

压电能量采集器工作原理你知道压电能量采集器这个超酷的小玩意儿吗？今天我就来给你唠唠它那有趣的工作原理。

压电能量采集器啊，就像是一个小小的能量捕捉精灵。

它的核心秘密就在一种特殊的材料上，这种材料叫压电材料。

你可以把压电材料想象成一个超级敏感的小团子，它对压力那是相当的敏感呢。

当外界给它施加压力的时候，就像你轻轻捏一下这个小团子，它就会产生电啦。

是不是很神奇？这就好比这个小团子被捏了之后，生气地说：“哼，你捏我，我就发电给你看！”比如说，在我们日常生活中，走路的时候脚会对地面产生压力。

如果在鞋子里装上压电能量采集器，每走一步，我们施加给它的压力就会让压电材料开始工作。

我们的脚步就像是在给这个小能量采集器打气加油，让它产生电能。

这电能虽然可能每次不是特别多，但是积少成多呀。

就像小水滴汇聚成大海一样，每一步产生的一点点电，慢慢地积累起来，说不定就能给一些小设备供电了呢。

再说说那些在振动环境中的应用。

像在汽车发动机旁边，发动机总是在振动的，这种振动就像是在不断地摇晃那个压电能量采集器的小团子。

小团子就会不停地产生电，发动机一直振，它就一直发电。

这就好像是发动机在对它说：“小团子，我动你也得动起来给我发电哦。

”而小团子也很听话，不停地把振动的能量转化成电能。

还有啊，在一些大型机械周围，机械工作时产生的微小振动或者压力变化，对于压电能量采集器来说都是产生电能的好机会。

它就像一个勤劳的小蜜蜂，不放过任何一点可以转化能量的机会。

而且这个过程是很环保的哦，没有什么污染，就是这么单纯地把机械能转化成电能。

那这些产生的电能都能用来做什么呢？它可以给一些低功耗的小设备供电，比如小型的传感器。

这些传感器就像是一个个小眼睛或者小耳朵，在各个地方监测着不同的信息。

有了压电能量采集器提供的电能，它们就能持续工作啦。

就像给这些小眼睛和小耳朵装上了一个永不断电的小电池一样。

压电能量采集器还有一个很有趣的地方，就是它的结构可以有很多种变化。

基于压电振动的人体能量采集技术研究综述

基于压电振动的人体能量采集技术研究综述魏胜;胡泓【摘要】阐述了人体各项运动的特性及其所能产生的动能,并从能量收集装置的结构设计、动能的来源、实现方法和性能等方面系统地综述了当前国内外利用压电振动采集人体运动能的主要研究成果,并对后续研究和发展方向提出了展望和预测.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2018(036)010【总页数】6页(P67-72)【关键词】压电;振动;能量收集;人体运动【作者】魏胜;胡泓【作者单位】深圳职业技术学院机电工程学院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院,广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TK60 引言无源供电方式可有效促进低功耗微电子设备和无线网络节点的发展。

传统的电池供电具有寿命有限，维护和更换成本高等缺点，而利用能量收集装置将环境中的动能转换为电能的技术和方法成为研究热点，成为解决可替代能源问题的关键技术之一。

另外，人们对身体健康的要求也促使用于健康监测的可穿戴智能设备或传感器迅速发展起来，而将人体运动能转换为电能并给可穿戴智能设备供电也引起了研究者的极大兴趣。

压电材料在外力的作用下会产生正压电效应，从而产生电能，而利用压电振动产生电能的装置称为压电能量收集器(PEH),其具有功率密度大、结构简单等特点。

在此，首先从运动科学领域阐述了有关人体运动特性的研究，包括频率、加速度和动能等，然后从实验原型结构设计、动能的来源、实现方法和性能等方面系统地综述了当前国内外利用压电振动采集人体运动能的主要研究成果，并对后续研究和发展方向提出了展望和预测。

1 人体运动特性最早有研究者在其文献中对人体日常各项运动如上肢运动、自然呼吸、步行等所能产生的机械能进行了比较研究[1]。

其中步行运动所产生的动能可达60 W。

同时，也从转换效率的角度对生物机械能转换为电能的可靠性进行了评估和分析。

Yun等人研究了各类便携式微电子设备工作状态所需的平均功率[2]，如定位芯片的平均能耗约为15 mW，而MP3芯片的能耗仅为58 mW。

非线性压电式能量采集器

非线性压电式能量采集器崔岩;王飞;董维杰;姚明磊;王立鼎【摘要】As nonlinear technology allows piezoelectric energy harvesting to obtain a wider vibration frequency and a higher output voltage, this paper proposed a piezoelectric energy harvester based on nonlinear vibration. The oscillation equation of the piezoelectric energy harvester was obtained based on testing Duffing mode and its vibration charateristics were simulated. With the various sinusoidal excitation frequencies and different magnet spacings, the opened output voltage was measured. The results show that when the excitation acceleration is 20 m/s2, the output voltage from the energy harvester has been improved to 208 V from 131 V,its maximum output power is 43. 264 mV,and the resonance frequency region can range up to 18 Hz. The Duffing model structure can change the resonant frequency of the nonlinear piezoelectric energy harvester in small scope, and can increase the output voltage.%由于非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器.基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试.在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20 m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208 V,最大输出功率为43.264 mW,主共振频率变化范围达到18 Hz.该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)012【总页数】7页(P2737-2743)【关键词】非线性振动;压电式能量采集器;共振频率;激振测试【作者】崔岩;王飞;董维杰;姚明磊;王立鼎【作者单位】大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TN3841 引言随着微型器件功耗的降低，将环境中的振动能量转换为低功耗微型器件所需要的电能成为可能。

《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》

《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着科技的发展，能量采集技术逐渐成为研究的热点。

在众多能量采集技术中，基于压电效应的振动能量采集技术因其高效、环保的特性备受关注。

本文将重点探讨基于压电效应的宽带振动能量采集系统以及无铅纳米发电机的研究进展和应用前景。

二、压电效应及在振动能量采集中的应用压电效应是指某些材料在受到压力时，会因内部电荷分布的变化而产生电势差的现象。

这一特性使得压电材料在振动能量采集领域具有广泛的应用。

传统的压电振动能量采集系统通常采用铅基材料，但铅基材料的环境污染问题使得研究者们开始寻求无铅替代材料。

三、宽带振动能量采集系统研究针对传统振动能量采集系统在宽带频率范围内的响应能力不足的问题，本研究设计了一种基于压电效应的宽带振动能量采集系统。

该系统采用多级放大技术，以提高系统在宽频带内的灵敏度和响应能力。

此外，通过优化系统结构，实现了对不同频率振动的有效采集。

四、无铅纳米发电机的研究为了解决铅基材料的环境污染问题，本研究重点研究了无铅纳米发电机。

通过采用新型无铅压电材料，如铋层状结构材料、钙钛矿结构材料等，制备了无铅纳米发电机。

与传统的铅基压电材料相比，无铅压电材料具有优异的压电性能和稳定性，同时具有较低的环境污染风险。

此外，通过优化纳米发电机的结构设计和工艺参数，提高了其发电效率和可靠性。

五、实验与结果分析本研究采用多种实验方法对宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机进行了验证。

实验结果表明，基于压电效应的宽带振动能量采集系统在宽频带内具有较高的灵敏度和响应能力，能够实现对不同频率振动的有效采集。

同时，无铅纳米发电机具有优异的压电性能和稳定性，且在长期运行过程中表现出良好的可靠性。

此外，通过对比实验发现，无铅纳米发电机在环保性能方面明显优于传统铅基压电材料。

六、应用前景与展望基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机在能源收集、环境监测、智能设备等领域具有广泛的应用前景。

上下梁磁吸斥力双稳态压电能量采集器

上下梁磁吸斥力双稳态压电能量采集器目录1. 内容综述 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 文献综述 (3)1.3 研究目的与方法 (5)2. 理论基础 (6)2.1 磁吸斥力原理 (8)2.2 双稳态压电材料 (9)2.3 能量采集基本概念 (9)3. 设计方案 (10)3.1 整体结构设计 (12)3.2 磁吸斥力装置说明 (12)3.3 压电能量采集单元设计 (13)4. 技术实现 (15)4.1 材料选择与测试 (16)4.2 制造工艺流程 (17)4.3 性能测试与优化 (18)5. 实验与结果分析 (19)5.1 实验方法与设备 (21)5.2 能量采集效率评估 (22)5.3 稳定性与耐久性测试 (23)5.4 结果与讨论 (24)6. 应用场景与前景 (25)6.1 可能的安装场景 (27)6.2 技术优势与市场潜力 (28)6.3 未来研究方向与改进建议 (30)1. 内容综述随着物联网、可穿戴设备等领域的蓬勃发展，小型化、高效化能量采集技术的需求越来越迫切。

压电能量采集器凭借其高转换效率、易于集成等优点，成为近年来研究热潮中的备受关注技术之一。

本文聚焦于设计一种新型上下梁磁吸斥力双稳态压电能量采集器。

该设计巧妙地利用磁吸斥力产生的微小位移，实现压电元件的双稳态工作模式。

通过上下梁的磁吸斥力触发，压电元件可重复地在双稳态之间切换，从而有效地放大能量输出。

这种双稳态工作模式不仅提高了能量收集效率，同时具有结构简单、成本低廉的特点。

本论文将详细阐述上下梁磁吸斥力双稳态压电能量采集器的设计原理、制造工艺、性能测试以及应用前景等方面的内容，为压电能量采集领域的先进研究提供新的思路和方法。

1.1 研究背景与意义随着人工智能、物联网和能源由化石能源向可持续可再生来源的转变的发展，电子电力设备对于能源的高效捕获与转换需求日趋迫切。

微机电技术与压电材料为高性能的织物化微型智能能量采集器的发展带来了新的契机。

《基于ZnO压电能量收集器性能研究》

《基于ZnO压电能量收集器性能研究》一、引言随着微纳电子设备的普及和物联网技术的飞速发展，微小能量收集技术已成为当前研究的热点。

其中，压电能量收集器因其能够将机械能转化为电能而备受关注。

ZnO作为一种典型的压电材料，具有优异的压电性能和稳定性，因此基于ZnO的压电能量收集器在微纳能源领域具有广阔的应用前景。

本文将就基于ZnO 压电能量收集器的性能进行研究，分析其工作原理、性能参数及其在实际应用中的表现。

二、ZnO压电能量收集器的工作原理ZnO压电能量收集器是一种利用ZnO材料的压电效应将机械能转化为电能的装置。

其工作原理主要基于ZnO的压电效应和逆压电效应。

当ZnO受到外力作用时，其内部会产生极化现象，形成电势差，从而产生电能。

反之，当给ZnO施加电压时，其会发生形变，即产生逆压电效应。

三、ZnO压电能量收集器的性能参数ZnO压电能量收集器的性能主要取决于其材料性能、结构设计和制备工艺。

以下将介绍几个关键的性能参数：1. 输出电压与电流：ZnO压电能量收集器的输出电压和电流是其性能的重要指标。

它们受到外部激励力的频率、幅度以及收集器结构的影响。

2. 能量转换效率：能量转换效率是评价压电能量收集器性能的重要参数，它表示输入的机械能转化为电能的比率。

ZnO压电能量收集器的能量转换效率受到材料性能、结构设计和制备工艺的影响。

3. 稳定性与耐久性：在实际应用中，压电能量收集器需要具备较好的稳定性和耐久性。

ZnO材料具有较好的稳定性和抗疲劳性能，使得基于ZnO的压电能量收集器在长时间工作过程中能够保持较好的性能。

4. 响应速度：响应速度是评价压电能量收集器动态性能的重要指标。

ZnO压电能量收集器具有较快的响应速度，能够适应高频率的机械激励。

四、ZnO压电能量收集器的实际应用ZnO压电能量收集器在微纳能源领域具有广泛的应用前景。

以下是几个典型的应用场景：1. 微纳系统供电：由于微纳系统通常需要低功耗的能源供应，ZnO压电能量收集器可以为其提供稳定的电源。

压电精密驱动与能量收集作用机理及控制方法

压电精密驱动与能量收集作用机理及控制方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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《基于ZnO压电能量收集器性能研究》

《基于ZnO压电能量收集器性能研究》一、引言随着微型电子设备及可穿戴电子产品的普及，能量收集技术尤其是压电能量收集技术成为了研究的热点。

ZnO作为一种具有优异压电性能的材料，在压电能量收集器中得到了广泛的应用。

本文旨在研究基于ZnO压电能量收集器的性能，探讨其工作原理、性能参数及其在现实应用中的潜力。

二、ZnO压电能量收集器的工作原理ZnO压电能量收集器是利用ZnO材料的压电效应，将机械能转化为电能的一种装置。

当ZnO材料受到压力作用时，其内部正负离子会发生相对位移，产生电极化现象，从而在材料两端产生电压，实现能量的转化。

三、ZnO压电能量收集器的性能参数ZnO压电能量收集器的性能主要通过以下几个参数来衡量：1. 输出电压：表示压电能量收集器在受到压力作用时产生的电压大小。

2. 输出功率：表示压电能量收集器在单位时间内能够输出的电能大小。

3. 响应频率：表示压电能量收集器对不同频率压力的响应能力。

4. 稳定性：表示压电能量收集器在长时间工作过程中的性能稳定性。

四、ZnO压电能量收集器的性能研究针对四、ZnO压电能量收集器的性能研究针对ZnO压电能量收集器的性能研究，本文主要从以下几个方面进行探讨：1. 输出电压与压力的关系研究ZnO压电能量收集器在不同压力作用下的输出电压变化情况，探究压力与输出电压之间的线性关系或非线性关系，为优化压电能量收集器的设计提供依据。

2. 输出功率及能量转换效率通过实验测试ZnO压电能量收集器在单位时间内的输出功率，分析其能量转换效率。

同时，研究不同工作条件（如温度、湿度等）对输出功率和能量转换效率的影响，为提高压电能量收集器的实用性提供参考。

3. 响应频率特性探讨ZnO压电能量收集器对不同频率压力的响应能力，分析其频率响应特性。

通过实验测试，确定压电能量收集器在不同频率下的最佳工作点，为其在实际应用中的优化提供依据。

4. 稳定性及耐久性测试对ZnO压电能量收集器进行长时间的工作测试，观察其输出性能的稳定性。

压电能量采集器[发明专利]

专利名称：压电能量采集器
专利类型：发明专利
发明人：刘艳会
申请号：CN202011414038.5申请日：20201204
公开号：CN112600461A
公开日：
20210402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种压电能量采集器，包括间隔交错堆叠的石墨烯膜和柔性电活性聚合物膜，从最上层和最下层石墨烯膜上分别引出导线，即得到压电能量采集器，石墨烯膜上开设有矩形通孔和圆弧形通孔，矩形通孔的长宽比为4‑6：1‑2，矩形通孔包括竖直通孔和水平通孔，竖直通孔包括多列，每列竖直通孔左右两侧均设置有水平通孔，相邻的两个水平通孔的上方和下方均设置有圆弧形通孔，位于同一个水平通孔上下两侧的圆弧形通孔的圆心重合。

本发明采用石墨烯膜和压电材料制备得到压电能量采集器，本发明的压电能量采集器中的石墨烯膜具有柔性、导电性好的特点，通过设计独特的开孔排列形式，具有良好的电输出性能。

申请人：武汉柏禾智科技有限公司
地址：430073 湖北省武汉市东湖新技术开发区关南福星医药园
国籍：CN
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PMN-PT单晶柔性压电能量采集器研究

PMN-PT单晶柔性压电能量采集器研究随着电子技术的发展,各种便携式电子设备的出现极大提高人们生活水平和促进社会经济发展,同时对于能源的供给也提出了新要求,发展环保高效的能源具有重要意义。

环境中机械能的存在方式多种多样,柔性压电能量采集器利用压电效应可将机械能转换为电能,且具有轻薄、高效、生物相容性等优点,在电子领域和生物医疗领域有着广泛的应用前景。

通过对压电理论和压电材料的分析研究,选取铅基复合钙钛矿结构弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（1-x）[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3</su b>]（PMN-PT）作为实验中的压电材料,它是由弛豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和铁电体PbTiO3形成的一种固溶体。

在准同型相界处（MPB）有着优异的铁电性、压电性、热释电性和介电性,在能量采集器、传感器、存储器等领域应用广泛。

利用有限元多物理场分析软件COMSOL建立柔性压电能量采集器几何模型,分析对比PMN-PT和PZT在叉指电极结构下的电压输出,PMN-PT材料在叉指电极和金属-绝缘层-金属（MIM）电极下的电压输出,不同叉指电极间距下的电压输出,最终采用叉指结构,电极宽度和电极间距都为100μm。

利用MEMS加工工艺完成器件制造,使用光刻显影法制备叉指电极,化学机械抛光（CMP）工艺减薄抛光PMN-PT单晶到20μm,将PMN-PT单晶薄膜转移到柔性基底PET上,最终完成柔性器件制造。

自主搭建柔性压电能量采集器测试平台,对器件的输出电压和电流进行测试,实验结果表明器件输出电压可达13.5V,输出电流可达10.2μA。

压电能源采集器综述

• 经典电路是现在存在的各种电路的鼻祖，也是各种电路的根底，它最早被提出来，后人根据这个电路进展了各种各样的改进，这个电路本身属于为分析而存在的电路，用这种电路收集能量的效率非常的低，通常情况下没人采用。通常都是作为各种电路的比对对象，跟经典电路比效率高多少成为衡量电路性质优劣的标准。
PS
• 自己的想法：我们可以根据具体的环境进展分析，我们可以采用多种能量源供给电力。多种电源的意思就是我们在一次转换中可以并联两个或两个以上的能量转换源，比方我们可以在利用振动能的时候同时利用温差能，将二者的能量聚集到一起提供给要供电的系统，前提是这两种能量源要能用相似的电路系统。
超低功耗电路设计原那么
EH元件小型化的条件
〔1〕称为“能量纳米技术〞的电路技术开场问世，具体表现是，超低功耗MCU及电路的技术提案日益增多，这些MCU及电路可有效利用电力转换元件提供的微量电力来工作。
〔2〕低功耗建立在间歇运行的根底上，原理，先花费时间将电力储存在电容器或充电电池中，然后再间歇驱动无线通信电路运行。
2同步提取电路
当压电元件两端电压与构造振动速度始终保持同向时，压电发电机输出功率较高。同步电荷电路原理如图 4所示，当压电元件两端电压 V 到达峰值时，闭合开关 s，那么压电等效电容 c 与电感 L形成振荡回路，压电元件上累积的电能在短时间内转移为电感中的磁能存储；电能转移完成后，开关翻开，压电元件开路，同步电荷提取电路输出功率恒定，其原因在于开关闭合时间等于 L - C 回路振荡周期的 1 ／4 ，恰在这段时间内电能全部转换为磁能，与负载大小无关。
系统总功耗=静态功耗+动态功耗静态功耗：静态功耗电流常用于评价电路的静态功耗大小，它以流经电路中各PN结的反向漏电电流为主。动态功耗：表达在电路进展逻辑状态转换过程中的电路内部消耗的功耗。对于CMOS 电路来说，主要表达在瞬时导通功耗和电容充放电功耗。

关于内共振压电能量采集器

关于内共振压电能量采集器陈立群;姜文安【摘要】内共振可以加强压电能量采集器.忽略电量的耦合,导出了内共振条件的解析表达式,与考虑电量耦合的精确情形相比,误差很小.数值计算输出电压的均方根表明,用该方法设计的内共振压电能量采集器在Gauss白噪声、2阶滤波产生的色噪声、窄带色噪声和指数相关色噪声激励下,都有良好的性能.【期刊名称】《上海应用技术学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(015)003【总页数】5页(P207-211)【关键词】内共振;能量采集;随机激励【作者】陈立群;姜文安【作者单位】上海大学力学系,上海200444;上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海 200072;上海大学上海市力学在能源工程中的应用重点实验室,上海200072;上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海 200072【正文语种】中文【中图分类】O322振动型能量采集器近年来成为研究热点［1］，其中压电能量采集更受到广泛关注［2］.振动型能量采集的工作原理是共振，因此只能采集特定频率成分的能量.如何使能量采集器在更广泛的外激励频率上工作成为改进能量采集效果的关键问题.解决该问题的一种途径是引入非线性，利用非线性振动系统的软特性或硬特性扩宽能量采集器工作频率范围，相关工作在文献［3］中有全面评述.这些工作都未涉及内共振的应用，而内共振也是非线性振动的突出特性.本文作者近期工作应用内共振的特性压电能量采集器［4］和磁电式能量采集器［5］，分析内共振时，先要确定线性派生系统的频率，由此导出内共振时系统参数需要满足的条件.能量采集器系统的特点是机械量和电量互相耦合，因此只能用数值方法得到内共振时的特定参数［4］，而无法得到内共振条件的显式表达.文献［5］中分析磁电式能量采集器时，忽略了电量耦合对频率的影响.本文研究压电式能量采集器，忽略电量耦合而得到内共振条件的解析表达式.与以往结果［4］比较，误差很小.数值仿真表明，在不同的随机激励下，该方法设计的内共振能量采集器比其他几种设计有更好的能量采集效果.压电式振动型能量采集器如图1所示［4］，以平衡位置为坐标原点，两个质量为m1和m2的物块相对于框架的位移分别为x1和x2，正方向向上，带压电环节的主质量m1通过刚度系数为k1的弹簧和黏性阻尼系数为c1的阻尼器与框架连接，主质量m1上还通过刚度系数为k2的弹簧和黏性阻尼系数为c2的阻尼器连接附加质量m2.3块磁铁，2块固定在框架上，1块固定在质量m1上，作用力方向如图1所示.压电部分，电阻、电容、输出电压和机电耦合系数分别为Rl、C、υ和θ.尽管系统的机械部分有2个自由度，但只有1个电回路，因此仍然是单模态的能量采集器.式中，式（1）～（3）给出非线性振动系统，若该系统的线性派生系统固有频率成比例时，又可能出现内共振.在式（1）、（2）中略去非线性项、阻尼项和激励项，并忽略机电系统之间的耦合，得系统的频率方程为即解得固有频率为若有实数λ使得2个固有频率之间具有关系则由式（8）可导出为说明内共振的优越性，在不同随机激励下计算压电能量采集器输出电压的均方根值：压电能量采集器考虑3种两自由度情形.固定参数m1=1.0，m2=0.2，k1=1.0，c1=0.01，c2= 0.005，a=1.0，b=0.5，θ=0.05，Rl=200和C= 0.1.两自由度情形，通过k2的选择使得2个固有频率ω2／ω1比为3和大于或小于3的无理数（见表1）.作为比较，也考虑2种单自由度情形.1种不附加质量弹簧系统，即m2=0，k2=0，c2=0，此时ω1= 1.4142；另1种将质量m2直接固定在m1上，即质量由m1变为m1+m2，此时ω1=1.2910.不忽略电量耦合时，文献［4］中得到了出现1∶3内共振所需要的参数值和相应的前2阶固有频率，两者比较如表2所示.因此忽略电量耦合产生的影响很小.数值仿真中，初始条件选为系统平衡位置，即）在给定初始条件下，可以用4阶Runge-Kutta法数值求解式（1）～（3）.3.1 白噪声激励基础激励为标准差为σf的随机激励f（t）［7］.输出电压均方根值随标准差的变化如图2所示.当σf＞0.07，内共振导致最大的输出电压.而当σf＜0.07时，内共振的优势不明显.这可能是因为激励太小而不足以引发系统中的非线性效应.3.2 2阶滤波定义的色噪声激励色噪声随机激励f（t）由2阶滤波定义［8］，式中：Ω为中心频率；β为带宽；ξ（t）为零均值和特定标准差σξ的白噪声.中心频率是影响能量采集的关键因素.当σξ=0.12和β=0.5时输出电压均方根随中心频率的变化如图3（a）所示，对于不同的设计，第1线性派生频率在1.274 3和1.414 2之间变化.由图可知，内共振产生的输出电压在靠近第1外共振，即1.0＜Ω＜2.0时远远大于其他设计，而且这一优点也保持到超过第2外共振，直到Ω=4.5.当Ω=2.0和β=0.5时输出电压随色噪声强度的变化如图3（b）所示，色噪声强度用式（13）中的白噪声ξ（t）的标准差表示σξ.结果表明，内共振导致最大的输出电压，只有在2个小区间［0.045，0.065］和［0.135，0.150］例外.带宽也影响输出电压，如图3（c）所示.除0.30和0.35之间的小带宽外，内共振导致最大的输出电压，特别是在0.6和0.9之间的带宽，优势更明显.3.3 窄带噪声激励考虑如下形式的窄带噪声激励［9］式中：A＞0为确定性振幅；Ω为中心频率；ρ为频率带宽；W（t）为标准Wiener过程满足（t）=ξ（t）；ξ（t）为零均值和特定标准差σξ的Gauss白噪声.不同参数下中心频率Ω对输出电压均方根值Vrms的影响如图4（a）所示，其中ρ=0.2和A=0.8.内共振导致最宽的外共振频率范围，该范围覆盖了另2种两自由度系统和2种单自由度系统的外共振范围；对于变化的中心频率，除个别例外，内共振也得到最大的输出电压.当Ω=2和A=0.8时，不同参数下输出电压均方根随频率带宽的变化，如图4（b）所示.在大部分频率带宽上，内共振产生的电压最大.3.4 指数相关噪声激励指数相关色噪声激励f（t）由Ornstein-Uhlenbeck方程定义［6］.式中：γ为噪声带宽；ξ（t）为零均值和特定标准差σξ的Gauss白噪声.式（15）中白噪声ξ（t）的标准差σξ可表示色噪声强度.当γ=0.5时，不同参数下激励强度σξ对输出电压均方根Vrms的影响见图5（a）.除了激励强度非常小的情形，内共振都产生最大的输出电压.给定σξ=0.2，在不同参数下，对于变化的带宽γ，内共振都给出最大的输出电压，如图5（b）所示.本文研究一类非线性压电能量采集器的设计中内共振的作用.通过忽略电量对机械系统的影响，得到了内共振条件的显式表达.数值仿真表明，在Gauss白噪声、2阶滤波给出的色噪声、窄带色噪声和指数相关色噪声4种激励下，处于内共振的能量采集器输出电压高于非内共振的情形.【相关文献】［1］Priya N，Inman D J.Energy harvesting technologies ［M］.Berlin：Springer，2009. ［2］Erturk A，Inman D J.Piezoelectric energy harvesting ［M］.New Yorks：Wiley，2011.［3］Daqaq M F，Masana R，Erturk A，et al.On the role of nonlinearities in vibratory energy harvesting：a critical review and discussion［J］.Applied Mechanics Reviews，2014，66（4）：040801-23.［4］Chen L Q，Jiang W A.A piezoelectric energy harvester based on internal resonance ［J］.Acta Mechanica Sinica，2015，31（2）：223-228.［5］Chen L Q，Jiang W A.Internal resonance energy harvesting［J］.Journal of Applied Mechanics，2015，82（3）：031004-11.［6］Daqaq M F.Transduction of a bistable inductive generator driven by white and exponentially correlated Gaussian noise［J］.Journal of Sound and Vibration，2011，330（11）：2554-2564.［7］Green P L，Worden K，Atalla K，et al.The benefits of duffing-type nonlinearities and electrical optimization of a mono-stable energy harvester under white gaussian excitations［J］.Journal of Sound and Vibration，2012，331（20）：4504-4517.［8］Daqaq M F.Response of uni-modal Duffing type harvesters to random forced excitations［J］.Journal of Sound and Vibration，2010，329（18）：3621-3631.［9］Wedig W V.Invariant measures and lyapunov exponents for generalized parameter fluctuations［J］.Structural Safety，1990，8（1-4）：13-25.。