壓電式三維多模態(tài)振動能量采集器1.pdf

1、隨著科技的飛速發(fā)展，人類的生產(chǎn)、生活已經(jīng)逐漸步入了物聯(lián)網(wǎng)時代。物聯(lián)網(wǎng)時代是物與物相聯(lián)的時代，其中無線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)中舉足輕重的一部分。無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括最核心的骨架—無線網(wǎng)絡(luò)以及最廣泛的觸角—無線傳感節(jié)點兩部分。無線傳感節(jié)點通過各個無線傳感器傳感有用信息，再通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有用信息的互傳和共享。而采用傳統(tǒng)電池供電的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有壽命短、維護費用高等特點，除此之外，傳統(tǒng)的電池含有汞等重金屬，若不及時地回收很容易造成環(huán)境污染。所以傳統(tǒng)電池

2、供電技術(shù)是限制無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。與此同時，伴隨著無線傳感器件向低功耗方向發(fā)展，將自供電技術(shù)運用到無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使無線傳感器件自供能成為現(xiàn)實。
　　自供能技術(shù)是指將自然界中的光、聲、熱、振動等物理能量通過換能裝置轉(zhuǎn)換為可供低功耗電子設(shè)備使用的電能。而環(huán)境中的振動能量以其廣泛遍布性和高能量密度性特點受到了研究人員的青睞。在研究者所研究的眾多用于采集振動能量的采集器中，大部分只有在外界振動能的頻率、方向滿足與自身單一固有頻

3、率、方向一致的條件時才會輸出較高的電能。自然界中的振動能量具有多方向和頻率時變的特點，而傳統(tǒng)的能量采集器無法采集其它頻率和方向的振動能，這無疑造成了能量的損失。
　　針對以上問題，本文設(shè)計了三維多模態(tài)振動能量采集器。該采集器用螺旋式矩形截面懸臂梁取代了傳統(tǒng)的矩形薄片懸臂梁，充分發(fā)揮了螺旋式懸臂梁可以在三維(3D)空間中沿著任意方向發(fā)生伸縮、扭轉(zhuǎn)形變的結(jié)構(gòu)特點，以及在低頻范圍內(nèi)具有多個振動模態(tài)的運動特點。結(jié)合粘貼在螺旋式懸臂梁根部的

4、壓電換能器，該能量采集器最終實現(xiàn)了機械能-電能的轉(zhuǎn)換，成功的采集了三維空間中的振動能量。文章推導(dǎo)了螺旋式矩形截面懸臂梁的運動微分方程組，從理論上推導(dǎo)出懸臂梁寬度、厚度以及直徑尺寸是影響固有頻率的主要因素；利用Solidworks繪制了能量采集器的3D模型，應(yīng)用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對采集器模型的運動特性進行了仿真，驗證了螺旋式懸臂梁具有多模態(tài)和感受多方向振動激勵的特點，得到了懸臂梁寬度越大、厚度越大，懸臂梁

5、固有頻率越大，固有頻率之間的間距越大的結(jié)論；設(shè)計制作了三維多模態(tài)能量采集器，在加速度為0.5g，頻率范圍為0~50Hz的范圍，以掃頻的方式分別進行了懸臂梁寬度變化(變寬)的能量采集器和懸臂梁寬度恒定(等寬)的能量采集器對比試驗、變寬式能量采集器的厚度和寬度不同尺寸對比試驗、能量采集器多方向受力輸出電壓特性以及能量采集器的輸出電壓與負(fù)載阻抗和輸出功率關(guān)系的實驗。測試實驗結(jié)果顯示，在X-Y和X-Z平面內(nèi)，當(dāng)振動激勵力方向分別呈0°，30°，

6、60°，90°，120°和150°時，電壓輸出均呈現(xiàn)三個模態(tài)，且三個模態(tài)對應(yīng)的頻率點分別為16Hz，21Hz和28Hz。在X-Y平面內(nèi)，各個角度對應(yīng)的最大開路電壓分別為37.8V，33.2V，32V，30V，21.6V和19.6V。在X-Z平面內(nèi)，各個角度對應(yīng)的最大開路電壓分別為30.4V,33.2V,30V,6.8V,22V和27.2V。負(fù)載阻抗匹配實驗顯示，當(dāng)振動激勵力沿X-Y平面0°方向，三個模態(tài)在最佳匹配阻抗分別為1.8MΩ，9