基于驰振的压电能量采集器建模与实验研究*

赵道利， 胡新宇， 孙维鹏， 郭鹏程

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室 西安，710048)

引 言

压电能量采集器能把环境中的潜在能量(风能、振动能等)转化为电能，适合为低能耗、工作环境恶劣的无线传输设备、微机电系统等供能。压电能量采集器打破了传统供能设备(化学电池)在寿命、使用范围等方面的限制，在许多科技领域存在广泛的应用前景[1-2]。根据能量转换原理的不同，流致振动压电能量采集器主要分为两种:①基于涡激振动的压电能量采集器较早得到研究，涡激振动的自限制特点有碍于更高能量的转换；②基于驰振的压电能量采集器具有较大的振幅，更有利于能量的有效开发[3]。

从Barrero等[4]提出关于驰振的能量采集概念开始，基于驰振压电能量采集器的相关研究已取得诸多成果。在理论方面：Abdelkefi等[5-6]提出一种基于欧拉-伯努利梁理论的非线性机电耦合分布参数模型，并通过数值计算和实验数据进行对比验证，还通过该模型对不同形状截面质量块的能量采集器进行了模态分析，研究了质量块截面形状、风速以及外载荷对能量采集器性能的影响；Bibo等[7]建立了能量采集器的能量输出和流速之间的普适性关系，这种关系有助于采集器性能的优化分析；Yan等[8]利用非线性机电耦合分布参数模型研究了从混合振动(驰振和基础激励)中获取能量的概念，并探讨了风速和基底加速度对能量采集器的影响；Tan等[9]针对悬臂式压电能量采集器的分布参数模型提出一种机电解耦方法，便于确定各电元器件的最优值，从而实现最大收获功率；……