考虑重力影响的压电悬臂梁发电系统动力学特性研究

杨倩倩， 刘丽兰

(西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048)

近年来随着微电子技术的发展，传感器的低功耗运行成为可能，从而也促进了传感器自供电技术的快速发展[1-2]，收集环境振动能量并转化为电能已成为一种趋势[3]。压电发电因其结构简单、清洁环保、易于实现微小化等优点越来越广泛地受到大家的关注[4-6]。

由于大多数实际振动环境是随机、多频、时变的，而线性系统的共振频带非常窄[7-8]。在非线性系统中，双稳态系统具有较宽的响应频带，并可以在周期或随机激励下产生大幅运动或混沌运动，显著增加发电能力，所以非线性双稳态压电发电系统越来越受到研究者的注意[9-11]。Erturk等[12]使用数值积分法比较了双稳态压电收集系统中模拟数据和测量数据的线性相似性，并发现了在宽频范围内，双稳态压电发电系统较线性系统可以产生较高的输出功率。Stanton等[13]应用谐波平衡法分析预测了参数变化对双稳态系统稳定性的影响，并采用数值模拟和实验验证的方式对双稳态压电发电系统进行了分析，为此后实验的操作提供了理论上的依据。Guo等[14]使用哈密顿原理建立了双稳态压电悬臂梁发电系统的压电—磁—弹性耦合的分布参数模型，研究了磁体间距对于系统静态分岔特性的影响，以及不同外部激励对电输出特性的影响。Singh等[15]提出了双稳态传感器的精确模型，即在非线性提取电路中使用同步电荷提取(Synchronous Charge Extraction， SCE)和电感器上的并行同步开关采集(Synchronized Switch Harvesting on Inductor， SSHI)，可以显著提高俘能效率。……