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.