高能效自调频压电俘能技术研究

Most vibration-based energy-harvesters are spring-mass-damper systems which generate maximum power when the resonant frequency of the harvester matches the frequency of the ambient vibration. Any difference between these two frequencies can result in a significant decrease in harvesting efficiency. In real applications the frequency of the ambient vibration usually are changing in a certain range which will significantly influence the total harvesting efficiency. The purpose of the present research is to propose a novel method to ensure that the harvester resonance frequency matches the ambient vibration frequency. The principles of the proposed method rely on the following techniques, demonstrated with a cantilever beam structure: The first is the energy-efficient stiffness tuning technique. The cantilever beam is constructed by the base beam and several piezoelectric elements bonded with the base beam in a certain manner. By changing the electrical boundary condition of any piezoelectric element, the resonant frequency of the cantilever beam will change accordingly; The second is that all piezoelectric elements can act as the harvester element and at the same time the actuator element whose electrical boundary condition is controlled; The third is the low-cost frequency sensing technique. The changing direction of the ambient vibration frequency is detected by analyzing the output of the vibration amplitude sensors in order to reduce the energy cost in frequency analyzing and enhance the net harvested energy. The results of this research will greatly enhance the capability and adaptability of the piezoelectric energy harvesters in real applications.

大多数基于振动的俘能器都采用弹簧质量阻尼结构并使该结构的共振频率与俘能器周围环境振动的频率一致。只要这两个频率存在很小的偏差，俘能器的效率就会显著降低。在实际应用中俘能器周围环境振动频率通常是在一定范围内变化，极大地影响了俘能器的效率。本课题提出一种新型的自调频压电俘能技术，使得俘能器结构的共振频率可以根据周围环境的振动频率自动调整。课题以悬臂梁结构来解释该技术，其技术特点体现在三个方面：第一是高能效的调频结构，梁结构由基本梁和与基本梁按一定方式耦合的分布式压电片构成，改变任一压电片的电场边界条件即可改变梁结构的共振频率；第二是高的材料利用率，所有的压电片都在作为电场边界条件驱动元件的同时可作为俘能元件；第三是低能耗的测频技术，从传感器输出去分析频率变化的方向，目的在于降低频率检测系统的复杂性和能耗，提高净俘能。本课题的研究成果将大大提高压电俘能器在实际工程中应用的可能性和适应性。

研究表明，当压电俘能装置处于共振状态时，压电材料的形变量达到峰值，因压电效应而产生的电能输出同时达到峰值。本项目提出了可调频技术，使压电俘能装置在一定频率宽度内均能处于共振状态，拓宽了压电俘能器的工作频率，大大提高了压电俘能器的应用范围。.本项目的主要研究内容包括：.A. 建立高能效的梁结构和电场边界条件驱动方式。.B.开发微功耗的频率检测方法。.C.研究低能耗的控制器及精确闭环调频方案。.本项目的主要研究结果及意义.关于研究内容A,运用理论力学、振动力学等知识对悬臂梁压电双晶片的固有频率进行了理论分析和推导，求得悬臂梁一阶固有频率与各尺寸参数和材料属性的关系式，并从该俘能结构出发，提出了四种可用于可调频的假想结构，分别为d31贴片式结构、d31嵌入式结构、d33压电片结构和d33压电柱结构。对以上四种结构进行ANSYS有限元分析，仿真不同结构下压电元件处于不同的电场边界条件得出各自不同的刚度特性表现。根据仿真结果搭建实验平台测试仿真结果，通过统筹改变压电片边界电压条件实现压电悬臂梁固有频率的改变。研究结果表明，结果表明使用d31嵌入式结合形式可以比使用d31表面粘贴式结合形式得到更高的频率变化率，频率相对变化率可达4.42%。使用d33压电柱结合形式可以比使用d31嵌入式结合形式得到更高的频率变化率，频率相对变化率可达28.59%。这部分结论和方案可以进一步进行推广，对实现压电悬臂梁自调频有重要意义。.针对研究内容B，我们设计了一套与之相对应的频率检测系统来对压电悬臂梁间歇进行有效的频率检测。在检测系统中，我们采取的方案是：使用霍尔元件做为传感器，将压电悬臂梁自由端的位移量转化为电压量输入到控制器中。频率检测范围为20 ~ 200 Hz，检测精度为 0.2 Hz。该频率检测方案可以推广到其他领域，该频率检测软件部分已申请软件著作权。.针对研究内容C，我们采用微功耗控制器在间歇工作方式下实现微功耗，通过开闭压电片两端的电子开关改变其电场边界条件可实现频率调节，将多个压电片电场边界条件编写成与频率对应的状态控制码储存到控制器中，当外界频率改变时，通过闭环实施对应状态控制码使压电悬臂梁重新回归到共振状态。.在项目执行过程中，也开展了一些原计划没有列入的工作，针对新型可调频结构压电俘能器输出能量进行了测量，针对压电输出电压特点提出了DCM模式下的Boost电路，能高效的整