力放大式三自由度压电俘能器的设计建模与实验研究

徐冬梅; 杨阳; 于思淼; 张驰; 潘家楠; 张旭辉

doi:10.37188/OPE.20253318.2899

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力放大式三自由度压电俘能器的设计建模与实验研究

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2025-10-28

- 力放大式三自由度压电俘能器的设计建模与实验研究
- Design， modeling and experimental research on force amplification type three-degree-of-freedom piezoelectric energy harvester
- 光学精密工程 2025年33卷第18期页码：2899-2913
- 作者机构：
  
  西安科技大学陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室，陕西西安 710054
- 作者简介：
  
  [ "徐冬梅（1987-），女，山东青岛人，博士后，副教授，2012年于哈尔滨工业大学获得硕士学位，2018年于哈尔滨工业大学获得博士学位，现为西安科技大学副教授，主要从事压电俘能和压电精密驱动方面的研究。E-mail： dongmeixu@xust.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(62303370;52005398);陕西省自然科学基金研究计划(2025JC-YBMS-586);中国博士后科学基金面上项目(2024M762449);陕西省教育厅服务地方专项项目(24JC055);安徽省博士后研究人员科研项目(2023B753)
- DOI：10.37188/OPE.20253318.2899
  中图分类号： TN384;TM619
- CSTR：32169.14.OPE.20253318.2899
- 收稿：2025-08-01，
  
  修回：2025-08-13，
  
  纸质出版：2025-09-25
- 稿件说明：
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徐冬梅,杨阳,于思淼等.力放大式三自由度压电俘能器的设计建模与实验研究[J].光学精密工程,2025,33(18):2899-2913.

XU Dongmei,YANG Yang,YU Simiao,et al.Design， modeling and experimental research on force amplification type three-degree-of-freedom piezoelectric energy harvester[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(18):2899-2913.
徐冬梅,杨阳,于思淼等.力放大式三自由度压电俘能器的设计建模与实验研究[J].光学精密工程,2025,33(18):2899-2913. DOI： 10.37188/OPE.20253318.2899. CSTR： 32169.14.OPE.20253318.2899.

XU Dongmei,YANG Yang,YU Simiao,et al.Design， modeling and experimental research on force amplification type three-degree-of-freedom piezoelectric energy harvester[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(18):2899-2913. DOI： 10.37188/OPE.20253318.2899. CSTR： 32169.14.OPE.20253318.2899.

摘要

为提升单自由度压电俘能器的能量转化效率和拓宽俘能工作方向，结合压电能量转

化机制、多自由度压电俘能器原理和力放大结构原理设计了一款新型三自由度压电俘能器。俘能器由两两正交悬臂梁式俘能器和力放大拉压模式俘能器组合而成。基于MATLAB/Simulink搭建模型进行仿真分析，获得了激励参数与结构参数对系统动态响应的影响。在此基础上制作俘能器的实验样机，通过实验验证了所设计的俘能器在

XYZ

三方向均能有效输出电能，以及结构参数（悬臂梁间距、质量块质量和弹簧刚度）对俘能器性能的影响。实验表明

X，Y

方向在电阻为15 kΩ时，输出功率为2.924 mW，可点亮22个LED二极管，

方向在电阻为40 kΩ时，输出功率为4.871 mW，可点亮33个LED二极管。结果表明在不同振动方向下俘能器均能实现稳定电能输出，为低功耗无线传感器提供能源支持的可行性。研究成果为新型多自由度压电俘能器的设计提供了一定理论指导。

Abstract

To improve the energy conversion efficiency of a single-degree-of-freedom （SDOF） piezoelectric energy harvester and broaden its operational direction， a novel three-degree-of-freedom （3-DOF） piezoelectric energy harvester had been designed by integrating the piezoelectric energy conversion mechanism， multi-degree-of-freedom piezoelectric harvesting principles， and force amplification structures. The proposed harvester had consisted of orthogonally arranged cantilever-beam harvesters and a force-amplified compression-tension mode harvester. A simulation model had been established using MATLAB/Simulink to analyze the effects of excitation and structural parameters on the system’s dynamic response. Based on the simulation， a prototype had been fabricated and experimentally validated. The results had demonstrated that the harvester could effectively generate electrical energy along the

，

， and

directions， with structural parameters （cantilever spacing， proof mass， and spring stiffness） significantly influencing its performance. Experiments showed that the

and

directions achieved an output power of 2.924 mW at a load resistance of 15 kΩ， capable of illuminating 22 LEDs， while the Z direction delivered 4.871 mW at 40 kΩ， powering 33 LEDs. The findings confirm the harvester’s stable energy output across different vibration directions， demonstrating its feasibility for powering low-power wireless sensors. This study provides theoretical guidance fo

r the design of novel multi-degree-of-freedom piezoelectric energy harvesters.

关键词

Keywords

references

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