非线性压电能量收集技术研究

非线性压电能量收集技术研究

摘要：压电能量收集技术是将日常环境中所产生的振动机械能转换为电能的一种新型技术，旨在为当前WSN技术中的无线电传感器提供持续不断的能量。非线性压电能量收集技术克服了传统的线性振动能量收集技术收集频带窄的弱点。压电振动能量收集技术中引入非线性力可以让共振峰发生偏移弯曲，从而达到拓宽高效率收集频带的目的。现如今常见的非线性压电能量收集技术有机械诱导及磁力诱导两种。

关键词：非线性压电能量收集装置；WSN技术；无线电传感器；

1.引言：

自上世纪六十年代，无线传感网络技术（Wireless Sensor Network, WSN）得到了飞速的发展。作为分布式传感网络的重要技术，WSN技术系统的末端由多个传感器组成，实时监测外部环境情况。传感器通过无线网络通信传输数据，分析外部环境情况。越复杂的环境情况，就需要越多的无线传感器节点，大量的无线电传感器需要一定量的电能来维持实时的工作[1-2]。

振动作为自然界的常见现象。将振动能量转换为微电子设备所需要的电能是一种经济、环保的做法。为此，科学家们在近几十年对振动能量的转换及其收集利用展开了大量的研究。传统线性压电振动能量收集器的特点是在接近结构振动频率附近达到共振状态提高输出效率。但是，在日常的振动环境中，振动的方式及频率多样且范围广。传统的线性压电振动能量收集装置对于振动能量的利用率低。这就引起了学者们对具有宽频收集特性的非线性压电能量收集技术的研究。

2. 非线性压电振动能量收集技术研究现状：

2.1 机械诱导非线性压电振动能量收集技术

机械诱导非线性压电振动能量收集器是通过各种机械结构的设计、施加预载荷以及利用复合材料多稳态铺层结构设计等方式实现的[3]。

Hu 等人推导了轴向预压悬臂梁压电双晶片的控制方程，对其展开了振动特性的相关研究。在一定的拉伸或压缩载荷下，共振频率可以向更高或更低的方向调整。在作者的计算模型中，得出了拉伸载荷为50N时的共振频率由 129.3Hz 增大到 169.4Hz。

Masana等人[4]设计了如图1所示的承受轴向载荷的压电梁。通过理论分析和实验模拟，发现了轴向加载、可调谐的两端固定能量收集压电梁的非线性机电耦合模型。进一步得出轴向载荷下一阶模态附近的稳态振幅、输出电压和功率影响的解析表达式。实验结果显示，增大结构的轴向预载荷可以使频响曲线向高频方向弯曲，其有效带宽得到了明显的提升。

图1 承受轴向载荷的压电梁及电压响应曲线

2.2 磁力诱导非线性压电振动能量收集技术

Erturk等人[5]在123年对磁性吸引子双稳态结构进行了改进，将两层压电片粘贴在金属悬臂梁上以用于压电能量收集，如图2所示仿真和实验结果显示，系统在简谐激励下可以在很宽的低频范围内激发大幅周期运动，其输出电压是线性条件下的2倍，功率约为线性压电能量收集的8倍。使得电压及功率得到了大幅度的提升。

图2 压电磁力弹性振子示意图

之后在2011年，Erturk又对此磁力诱导的双稳态压电能量收集器在高能轨道振动下的频带拓展性能进行了深入的研究。对比了在不同激振频率下线性能量收集器和非线性压电能量收集器的输出功率。Ali 等人针对相同的结构建立了非线性系统的等价线性模型并给出了等价线性系统的解析表达式。Kumar 等人对此结构进行了改进，在悬臂梁的自由端增加了顺磁性的金属重物，从而进一步降低系统的一阶固有频率，且系统可以获得更复杂的多稳态特性。

3.未来发展趋势及建议：

采用非线性能量收集技术可增大收集装置的收集效率。在机械振动研究中发现结构产生非线性振动时振动频率响应与线性振动时的现象不同，发生非线性振动时幅频曲线会出现偏移，此时结构在较宽的频带内都会有显著的振动，将非线性振动特性引入振动能量收集后，收集装置也会在较宽频段内进行高效率的能量收集。

参考文献：

[1]Akyildiz I F, Su W, Sankarasubramaniam Y, et al. A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine, 2002, 40(8): 102-114.．

[2]Yick J, Mukherjee B, Ghosal D. Wireless sensor network survey[J]. Computer Networks, 2008, 52(12): 2292-2330．

[3]Twiefel J, Westermann H. Survey on broadband techniques for vibration energy harvesting[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2013, 24(11): 1291-1302.

[4]Masana R, Daqaq M F. Exploiting super-harmonic resonances of a bi-stable axially-loaded beam for energy harvesting under low-frequency excitations[C]. ASME 2011 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, IDETC/CIE 2011, p 999-1008．

[5]Erturk A, Hoffmann J, Inman D J. A piezomagnetoelastic structure for broadband vibration energy harvesting[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(25): 254102.