换向激励式压电振动俘能器

阚君武; 王凯; 孟凡许; 费翔; 张忠华; 翟仕杰; 祝孟松

doi:10.37188/OPE.20233103.0371

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换向激励式压电振动俘能器

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-02-15

- 换向激励式压电振动俘能器
- Piezoelectric vibration harvester with excitation direction conversion
- 光学精密工程 2023年31卷第3期页码：371-379
- 作者机构：
  
  1.浙江师范大学工学院精密机械研究所，浙江金华 321004
  2.浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江金华 321004
- 作者简介：
  
  [ "阚君武（1965-），男，吉林榆树人，博士，教授，博士生导师，1991年、2000年于吉林工业大学分别获得学士和硕士学位，2003年于吉林大学获得博士学位，2005年中科院长春光机所博士后出站，主要从事压电驱动器、能量回收与自供电技术、精密机械与微小机械等方面的研究。E-mail：jutkjw@163.com" ]
  [ "孟凡许（1986-），男，山东烟台人，博士，讲师，2020年于南京航空航天大学获得博士学位，主要从事能量回收与自供电技术方面的研究。E-mail：mfx_412@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51877199;52077201);浙江省自然基金资助项目(LY20F010006);国家级大学生创新创业训练计划资助项目(202110345041;202110345042);浙江省新苗人才计划项目(2020R404043;2020R404041)
- DOI：10.37188/OPE.20233103.0371
  中图分类号： TN384;TM619
- 收稿日期：2022-06-20，
  
  修回日期：2022-07-13，
  
  纸质出版日期：2023-02-10
- 稿件说明：
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阚君武,王凯,孟凡许等.换向激励式压电振动俘能器[J].光学精密工程,2023,31(03):371-379.

KAN Junwu,WANG Kai,MENG Fanxu,et al.Piezoelectric vibration harvester with excitation direction conversion[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):371-379.
阚君武,王凯,孟凡许等.换向激励式压电振动俘能器[J].光学精密工程,2023,31(03):371-379. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0371.

KAN Junwu,WANG Kai,MENG Fanxu,et al.Piezoelectric vibration harvester with excitation direction conversion[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):371-379. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0371.

摘要

为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性，提出一种换向激励式压电振动俘能器，它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向），振动方向的转换通过磁力换向结构实现，换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加，从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型，通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时，该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值，一阶为拾振器谐振频率，二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加，一阶谐振频率升高，所对应的输出电压基本不变；二阶谐振频率基本不变，所对应的输出电压逐渐升高；工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时，换能器的响应振幅被有效控制，输出电压不再随之增加，最佳负载电阻为540 kΩ，此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压，将响应振幅控制在安全区域内，以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。

Abstract

To achieve adaptability to low frequency， wide bandwidth， high amplitude， and other vibration environments， a piezoelectric vibration harvester with excitation direction conversion （PVHEDC） is proposed； it constitutes a vibration collector and transducer. Due to the commutation structure， the vibration direction of the transducer is perpendicular to the ambient vibration direction， limiting the response amplitude. The dynamic model of the PVHEDC was established， and the influence of relevant parameters on its output characteristics was obtained via simulation and experiments. As a result， two natural frequencies were observed considering a low-frequency environment， which are the natural frequencies of the vibration collector and transducer， respectively， causing the output voltage of the PVHEDC to peak. With increasing length and proof mass of the elastic beam， fn1 gradually decreased， while

remained unchanged， with the former corresponding to an essentially unchanged output voltage and the latter corresponding to an increased output voltage. Meanwhile， the bandwidth broadened. The experiment results show that when the external excitation amplitude increases to a certain value， the output voltage no longer increases， and the amplitude of the PVHEDC is effectively controlled. The achieved maximum output power is 0.4 mW for the optimal external load resistance of 540 kΩ. In practice， the above parameters influence the resonant frequency of the PVHEDC and its corresponding output voltage and limit the response amplitude， allowing adaptation to low-frequency， broadband， high-intensity， and large-amplitude working environments.

关键词

Keywords

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亓有超，赵俊青，张弛 . 微纳振动能量收集器研究现状与展望［J］. 机械工程学报， 2020 ， 56 （ 13 ）： 1 - 15 . doi: 10.3901/jme.2020.13.001 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.13.001

QI Y CH ， ZHAO J Q ， ZHANG CH . Review and prospect of micro-nano vibration energy harvesters ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 13 ）： 1 - 15 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2020.13.001 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.13.001

KAN X Y ， TENG H Z ， KARYDIS K . Online exploration and coverage planning in unknown obstacle-cluttered environments ［J］. IEEE Robotics and Automation Letters ， 2020 ， 5 （ 4 ）： 5969 - 5976 . doi: 10.1109/lra.2020.3010455 http://dx.doi.org/10.1109/lra.2020.3010455

FAN K Q ， LIU J ， CAI M L ， et al . Exploiting ultralow-frequency energy via vibration-to-rotation conversion of a rope-spun rotor ［J］. Energy Conversion and Management ， 2020 ， 225 ： 113433 . doi: 10.1016/j.enconman.2020.113433 http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113433

阚君武，何恒钱，王淑云，等 . 可调频旋磁激励式压电发电机的设计与试验［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 3 ）： 577 - 583 . doi: 10.3788/ope.20192703.0577 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192703.0577

KAN J W ， HE H Q ， WANG SH Y ， et al . Structure and performance of rotating piezoelectric generator with tunable frequency ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 3 ）： 577 - 583 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192703.0577 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192703.0577

赵裕明，金振林，冯海兵 . 1T2R三自由度海浪发电装置设计及运动学分析［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 9 ）： 2035 - 2045 . doi: 10.37188/ope.20202809.2035 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20202809.2035

ZHAO Y M ， JIN ZH L ， FENG H B . Design and kinematics of a 1T2R 3-DOF wave power generating device ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 9 ）： 2035 - 2045 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20202809.2035 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20202809.2035

王淑云，朱雅娜，阚君武，等 . 旋磁激励式预弯梁压电俘能器建模仿真与试验［J］. 机械工程学报， 2020 ， 56 （ 14 ）： 224 - 230 . doi: 10.3901/jme.2020.14.224 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.14.224

WANG SH Y ， ZHU Y N ， KAN J W ， et al . Prebending-cantilever piezo-harvester excited by rotary magnet ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 14 ）： 224 - 230 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2020.14.224 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2020.14.224

WANG J L ， GENG L F ， DING L ， et al . The state-of-the-art review on energy harvesting from flow-induced vibrations ［J］. Applied Energy ， 2020 ， 267 ： 114902 . doi: 10.1016/j.apenergy.2020.114902 http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114902

ZHANG Z H ， WANG S Y ， KAN J W ， et al . A pneumatic piezoelectric vibration energy harvester based on the compressed air-transducer-structure interaction ［J］. Energy Conversion and Management ， 2020 ， 213 ： 112861 . doi: 10.1016/j.enconman.2020.112861 http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112861

FAN K Q ， TAN Q X ， LIU H Y ， et al . Improved energy harvesting from low-frequency small vibrations through a monostable piezoelectric energy harvester ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2019 ， 117 ： 594 - 608 . doi: 10.1016/j.ymssp.2018.08.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.08.001

WANG G Q ， LIAO W H ， YANG B Q ， et al . Dynamic and energetic characteristics of a bistable piezoelectric vibration energy harvester with an elastic magnifier ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2018 ， 105 ： 427 - 446 . doi: 10.1016/j.ymssp.2017.12.025 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.12.025

ZHOU Z Y ， QIN W Y ， ZHU P . Harvesting performance of quad-stable piezoelectric energy harvester： modeling and experiment ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2018 ， 110 ： 260 - 272 . doi: 10.1016/j.ymssp.2018.03.023 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.03.023

LALLART M ， WU W J ， YAN L J ， et al . Inductorless synchronized switch harvesting using a piezoelectric oscillator ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 2585 - 2594 . doi: 10.1109/tpel.2019.2925709 http://dx.doi.org/10.1109/tpel.2019.2925709

刘星，王佩红，张小舟，等 . 压电阵列径向分布的二维振动能量采集器［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 9 ）： 2181 - 2189 . doi: 10.3788/ope.20182609.2181 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182609.2181

LIU X ， WANG P H ， ZHANG X ZH ， et al . Two-dimensional vibration energy harvester with radially distributed piezoelectric array ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 9 ）： 2181 - 2189 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182609.2181 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182609.2181

马天兵，陈南南，吴晓东，等 . Z型压电振动能量收集装置［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 9 ）： 1968 - 1980 . doi: 10.3788/ope.20192709.1968 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192709.1968

MA T B ， CHEN N N ， WU X D ， et al . Z-type piezoelectric vibration energy harvesting device ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 9 ）： 1968 - 1980 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192709.1968 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192709.1968

CHAUDHURI D ， KUNDU S ， CHATTORAJ N . Design and analysis of MEMS based piezoelectric energy harvester for machine monitoring application ［J］. Microsystem Technologies ， 2019 ， 25 （ 4 ）： 1437 - 1446 . doi: 10.1007/s00542-018-4156-z http://dx.doi.org/10.1007/s00542-018-4156-z

ZHANG J H ， QIN L F . A tunable frequency up-conversion wideband piezoelectric vibration energy harvester for low-frequency variable environment using a novel impact- and rope-driven hybrid mechanism ［J］. Applied Energy ， 2019 ， 240 ： 26 - 34 . doi: 10.1016/j.apenergy.2019.01.261 http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.261

TOYABUR R M ， SALAUDDIN M ， PARK J Y . Design and experiment of piezoelectric multimodal energy harvester for low frequency vibration ［J］. Ceramics International ， 2017 ， 43 ： S675 - S681 . doi: 10.1016/j.ceramint.2017.05.257 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.257

WU Y P ， QIU J H ， ZHOU S P ， et al . A piezoelectric spring pendulum oscillator used for multi-directional and ultra-low frequency vibration energy harvesting ［J］. Applied Energy ， 2018 ， 231 ： 600 - 614 . doi: 10.1016/j.apenergy.2018.09.082 http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.082

李欣业，张明路 . 机械振动［M］. 北京：清华大学出版社， 2009 .

LI X Y ， ZHANG M L . Mechanical Vibrations ［M］. Beijing ： Tsinghua University publishing house ， 2009 . （in Chinese）

刘鸿文 . 高等材料力学［M］. 北京：高等教育出版社， 1985 .

LIU H W . Advanced Mechanics of Materials ［M］. Beijing ： Higher Education Press ， 1985 . （in Chinese）

YANG W ， TOWFIGHIAN S . A parametric resonator with low threshold excitation for vibration energy harvesting ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2019 ， 446 ： 129 - 143 . doi: 10.1016/j.jsv.2019.01.038 http://dx.doi.org/10.1016/j.jsv.2019.01.038

ZOU H X ， ZHANG W ， LI W B ， et al . Design， modeling and experimental investigation of a magnetically coupled flextensional rotation energy harvester ［J］. Smart Materials and Structures ， 2017 ， 26 （ 11 ）： 115023 . doi: 10.1088/1361-665x/aa8eb8 http://dx.doi.org/10.1088/1361-665x/aa8eb8

FU H L ， YEATMAN E M . Rotational energy harvesting using bi-stability and frequency up-conversion for low-power sensing applications： theoretical modelling and experimental validation ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2019 ， 125 ： 229 - 244 . doi: 10.1016/j.ymssp.2018.04.043 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.04.043

FEBBO M ， FEBBO M ， et al . A novel up-converting mechanism based on double impact for non-linear piezoelectric energy harvesting ［J］. Journal of Physics D： Applied Physics ， 2020 ， 53 （ 47 ）： 475501 . doi: 10.1088/1361-6463/abab28 http://dx.doi.org/10.1088/1361-6463/abab28

马天兵，贾世盛，丁永静，等 . 梯形悬臂梁压电振动俘能器的特性研究［J］. 仪表技术与传感器， 2021 （ 11 ）： 43 - 47 . doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2021.11.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-1841.2021.11.009

MA T B ， JIA SH SH ， DING Y J ， et al . Research on characteristics of piezoelectric vibration energy harvester of trapezoidal cantilever beam ［J］. Instrument Technique and Sensor ， 2021 （ 11 ）： 43 - 47 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2021.11.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-1841.2021.11.009

LIU Q ， QIN W Y ， YANG Y F ， et al . Promote performance of vibration energy harvesting by amplified inertial force and clamped piezoelectric beams ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2022 ， 178 ： 109291 . doi: 10.1016/j.ymssp.2022.109291 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109291

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