頻率可調(diào)俘能器建模與仿真研究

摘 要：以環(huán)境中的振動為能量源，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)俘獲能量的俘能器，絕大多數(shù)壓電俘能器只能在特定的頻率下，具有較高的俘獲效率，當(dāng)偏離這一頻率時，效率急劇下降。有些俘能器雖然克服了這一缺陷，但是這種俘能器的功率密度是比較低的，本文所研究的俘能器是靠改變整個系統(tǒng)的剛度來實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，使俘能器工作在一個理想的狀態(tài)下。

關(guān)鍵詞：俘能器；頻率可調(diào)；壓電梁

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.193

1 引言

無線傳感器的供能主要是靠鋰電池，但是鋰電池的使用壽命有限需要定期更換，有時候這種更換的難度非常大 [1]。與此同時，電子技術(shù)不斷發(fā)展，電子設(shè)備朝小型化方向發(fā)展，目前無線傳感器節(jié)點的功耗一般都為mmW級的，壓電俘能器完全可以滿足它的能量需求 [2]。因此，壓電俘能器的研究得到許多學(xué)者的研究，但是這些學(xué)者的研究主要是集中在單一頻率下，能量俘獲效率的提高 [3-5]，本文提出一種新型的頻率可調(diào)壓電俘能器，這種俘能器可以在不降低能量密度的前提先，實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

2 可變頻壓電俘能器數(shù)學(xué)模型

2.1 簡化模型

圖1為這種新型俘能器的示意圖，只要包括電極，壓電層，非壓電層，質(zhì)量塊，可移動支座，梁與一端的支座是靠鉸支鏈接。由圖可以看出，當(dāng)x0=0的時候，可以看做懸臂梁，當(dāng)x0=L的時候，可以看做簡支梁結(jié)構(gòu)，所以整個系統(tǒng)的固有頻率隨著x0的變化而變化。

這種假設(shè)符合Euler-Bernoulli理論假設(shè)，轉(zhuǎn)動慣量和剪切變形對梁的影響比較小，可以忽略不計。這默認(rèn)為非壓電層與壓電層之間無縫隙，連接緊密。

2.2 數(shù)學(xué)解析模型

在上面設(shè)想的基礎(chǔ)之上，我只考慮軸向應(yīng)力X1，z向電場E3，軸向應(yīng)變x1，橫向電位移D3的影響。

3 可變頻壓電俘能器有限元仿真

這里利用ANSYS的PLANE223單元仿真壓電單元，外接電阻用CIRCU94仿真，表1給出了俘能器的參數(shù)，另外峰值加速度、阻尼比分別為=lm/s2，ξ=0.05，峰值功率利用公式P=4V02/R，最終得到了圖2的結(jié)果圖。

圖2給出了仿真結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比，可以看出仿真結(jié)果與前面解析解的符合程度較高，這進一步驗證了解析解的合理性。這里還可以看出外界電阻105Ω，ω0/ω在1附近的時候得到的功率最大。

4 結(jié)論

本文提出了一種頻率可以調(diào)節(jié)的振動能量俘獲器，對其進行理論分析，建立了這種俘能器的理論模型，接著利用ANSYS對其進行有限元仿真分析，得到的結(jié)果與解析解析模型吻合較好。

參考文獻：

[1]許卓，楊杰等.微型振動式能量采集系統(tǒng)研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015（02）：p9-12.

[2]王佩紅，戴旭涵，趙小林.微型電磁式振動能量采集器的研究進展[J].壓電與聲光，2011，33（03）：394-398.

[3]杜小振.環(huán)境振動驅(qū)動微型發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[4]李鑫.圓柱殼壓電能量采集及振動主動控制研究[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[5]Erturk A and Inman D J 2008a On mechanical modeling of cantilevered piezoelectric vibration energyharvesters， Journal of Intelligent Material Systems and Structures 19：1311-1325.