懸臂梁陣列式壓電俘能輸出特性的研究.pdf

1、振動作為生活和工程實際中廣泛存在的一種能量形式，其存在形式具有多樣性。合理、高效地采集振動源的能量，為電子設(shè)備的自供電提供了可能。壓電式的振動能量收集具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、不發(fā)熱、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，成為振動能量采集領(lǐng)域研究的重點之一。由于懸臂梁式的振動頻率比較低，適合收集實際環(huán)境中存在的振動能量，從而使懸臂梁式的壓電俘能器在低功耗領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用。但由于環(huán)境振動的不穩(wěn)定性和壓電能量收集只有在共振狀態(tài)下輸出電能水平才有保證的特點，

2、單個梁的壓電俘能系統(tǒng)僅能滿足較低功耗的電子設(shè)備。為了提高輸出功率，滿足更多電子設(shè)備的供電需求，研究陣列式的壓電俘能系統(tǒng)具有重要意義。
　　本文以懸臂梁式的壓電俘能器為研究對象，以提高輸出功率和拓寬工作頻帶為目的，采用理論分析與實驗驗證相結(jié)合的方法對陣列式的壓電俘能進(jìn)行了研究。首先，基于懸臂梁式壓電俘能的集總參數(shù)等效電路模型，采用疊加定理的方法對并聯(lián)、串聯(lián)以及串并混聯(lián)的陣列進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和實驗驗證，并指出了混聯(lián)連接可以滿足負(fù)載

3、變化時的阻抗匹配。其次，仿真分析了帶有整流的懸臂梁陣列連接，討論了先連接后整流和先整流后連接的陣列對輸出功率的影響。最后，通過仿真和實驗分別研究了懸臂梁諧振頻率差、輸出電壓幅度差和激勵的相位差對陣列輸出功率的影響。
　　仿真和實驗結(jié)果表明:(1)N個相同梁無論是串聯(lián)、并聯(lián)還是串并混聯(lián)的陣列在與負(fù)載匹配時得到的最大輸出功率均為單個梁最大輸出功率的N倍。但串聯(lián)時的匹配阻抗為單個梁的N倍;并聯(lián)時匹配阻抗為單個梁的1/N;而陣列混聯(lián)時，可

4、以通過改變串、并聯(lián)的連接個數(shù)及串、并聯(lián)的先后順序?qū)崿F(xiàn)與負(fù)載匹配;(2)無論是先并聯(lián)后整流還是先整流后并聯(lián)的陣列連接，其最大輸出功率均相同，但是前者匹配阻抗小于后者匹配阻抗;(3)懸臂梁的諧振頻率差在一定范圍內(nèi)時，陣列連接既可以提高輸出功率也可以拓寬頻帶。懸臂梁在本文設(shè)計的尺寸和材料內(nèi)，帶寬為3.5Hz時，對于串聯(lián)的陣列，諧振頻率之差與單個梁頻帶寬度之比不能大于2.571，而并聯(lián)時不能大于0.571;(4)懸臂梁的輸出電壓幅度之比大于6.