压电悬臂梁振动能量收集器研究进展

发布时间：2021-02-17 20:52

　　能量收集技术是一种面向无线低功耗应用的供能技术,基于压电效应的悬臂梁振动能量收集是其中的一项重要方法。然而,悬臂梁式收集器仅在有限狭窄的频率带宽内有效,在实际应用中受到限制。针对近些年研究人员提出的优化方法进行了总结,从线性与非线性拓宽频带法、频率调谐法的角度进行分类讨论,这些方法对于突破悬臂梁收集器窄频带的瓶颈具有积极的意义。通过不同的研究思路介绍了一些近年的研究热点与关键技术问题,例如低频、多方向能量收集等,并对目前的应用研究进行总结;最后,对悬臂梁式压电振动能量收集器的研究不足与未来的发展趋势做出了思考。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(17)北大核心

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

振动能量收集三种方法检索情况

悬臂梁式压电能量收集器的原理如图2所示。通过悬臂梁的共振扩大振幅,以带动悬臂梁上的压电材料产生形变,从而产生电能,再通过电路对能量进行收集储存,以供低功耗器件使用。从图2可知,优化悬臂梁能量收集器的性能可以从悬臂梁结构、压电材料、存储电路这三个方面着手,本文主要针对悬臂梁结构进的优化进行讨论。常用的悬臂梁收集结构采用单侧或双侧的压电材料贴附在悬臂梁结构上,称为单晶或双晶结构,如图3所示。悬臂梁固定在产生振动的主体结构上,利用悬臂梁的共振增强系统的响应。但由于悬臂梁的共振频带很窄,限制了该技术的实际应用。为了进一步拓宽频带、提高响应,学者们对悬臂梁结构提出了多种优化方案,将在后文中进行详细的讨论。

线性阵列式结构采用多个不同参数的悬臂梁形成阵列,每个悬臂梁的共振频率不同且接近,通过各频带的重叠以产生宽频带的效果[23-24],其典型功率谱如图4所示。阵列式可以通过多种形式进行设置。Liu等[25]制作了悬臂梁MEMS阵列,利用悬臂梁的尺寸不同形成阵列,如图5(a)所示。Keshmiri等[26]通过设置30个不同形状的悬臂梁形成阵列,如图5(b)所示。在5.5 V以上可覆盖45～155 Hz的频段。Dechant等[27]通过改变质量块设置阵列式收集器,使用三个悬臂梁在0.75 mW以上获得了3.8 Hz的带宽。

【参考文献】：
期刊论文
[1]典型压电俘能器的发展现状与俘能机理分析[J]. 王爽,吕宝占.  电子元件与材料. 2018(11)
[2]电磁集能式调谐质量阻尼器的结构减震及能量收集分析[J]. 孙洪鑫,罗一帆,杨国松,王修勇.  振动与冲击. 2017(15)
[3]一种宽频压电能量收集装置的建模与实验研究[J]. 刘少刚,程千驹,赵丹,冯立锋.  振动与冲击. 2016(24)
[4]关于内共振压电能量采集器[J]. 陈立群,姜文安.  上海应用技术学院学报(自然科学版). 2015(03)
[5]A piezoelectric energy harvester based on internal resonance[J]. Liqun Chen,Wenan Jiang.  Acta Mechanica Sinica. 2015(02)
[6]基于涡激振动的压电能量收集特性数值研究[J]. 王军雷,冉景煜,丁林,张敏,张力.  工程热物理学报. 2015(02)
[7]多方向宽频带压电式振动能量采集器研究进展[J]. 陈仁文,任龙,夏桦康,王昊.  仪器仪表学报. 2014(12)
[8]蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计[J]. 刘祥建,陈仁文,侯志伟.  光学精密工程. 2014(07)



本文编号：3038521