阵列压电式能量采集器仿真研究与实验分析

摘要

以传统单悬臂梁为基础设计的压电式振动能量采集器存在输出电能低和工作频带窄等不足，为此，设计了阵列压电式振动能量采集器，并进行了仿真研究和实验分析。首先对压电悬臂梁工作原理进行了理论分析，通过建立等效电路模型推导出了输出功率和输出电压公式；然后从静力学角度和振动模态角度两方面对阵列压电式振动能量采集器进行了COMSOL仿真分析，得到了采集器基本振动特性；最后，制作实验样机并搭建实验平台，对样机进行了串联输出和并联输出性能测试。结果表明：共用质量块压电阵列结构虽然输出电能得到了提升，但工作频带相较于单压电悬臂梁并无拓宽，因而使用受限；带不同质量块压电阵列结构的串联输出最大开路电压为1.79 V,带宽为7.6 Hz,并联输出最大开路电压为1.71 V,带宽为8.6 Hz,而相同实验环境下的单梁最大开路电压为1.56 V,带宽为2.4 Hz,故采集器输出性能和工作频带均得到改善，环境适应能力得到增强。

关键词

压电效应 / 压电悬臂梁 / 振动能量 / 有限元仿真 / 阵列

基金资助

重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJZD-K202101103);; 重庆理工大学科研启动基金项目(2021ZDZ016);; 重庆理工大学2023年研究生创新项目(gzlcx20233106)