压电能量采集动力学设计理论与技术

第1章 绪论 1.1 引言 微电子器件广泛应用于工业、军事、航空航天、生物医学、环境监测、消费电子产品等诸多领域[1]。目前，这些器件主要由化学电池供电，使用寿命有限，也容易造成环境污染[2]。随着科学技术的迅速发展，微电子器件需要的能耗降低了很多，可以从环境中采集各种形式的能量替代传统电池或延长传统电池的寿命为微电子器件供能[3]。 环境中存在的能源有太阳能、热能和机械能(或称动能，本书中机械能和机械能量都是指动能)等[4，5]，其中，机械能(图1-1)具有清洁、稳定和体积小等优点[6，7]，是环境中分布昀广泛的能源之一，几乎无处不在[8]，可以从机械设备[9]、汽车[10]、人体运动[11]和流体[12，13]等不同环境中获取该能量。 图1-1 机械能量采集示意图[7] 图1-2为环境中可用于机械能量采集的能量源及其相应应用[10，14-20]。将机械运动(往复运动和旋转运动)能量转换为电能，不仅可持续、节能环保，而且可以实现许多自供能的自动化功能，便捷可靠。例如，自供能可以实现无线传感的环境监测，在机械设备的运动部件安装自供能传感器，可以在不依赖外接电源的情况下监测设备的运行状况。目前，机械能采集技术已经引起工业界和学术界的广泛关注，但仍然存在一些关键问题，如器件输出功率低、适应环境单一、可靠性低等。因此，研究机械能采集技术具有迫切的现实需求和广阔的应用前景。 图1-2 环境中可用于机械能量采集的能量源及其相应应用[10，14-20] 1.2 非线性振动能量采集理论与技术进展 振动能量采集的一个关键挑战是线性振子只在它固有频率附近比较狭窄的频域内振幅较大，不适合在频域较宽且主要为低频的自然环境中采集振动能量。因此，需要降低振动能量采集器的固有频率，在自然环境低频激励下更有效地工作[21]。频率提升方法可用于采集低频振动能量[22，23]。阵列多个不同固有频率振子的振动能量采集器被提出，可在宽频范围采集能量[24]。自调频技术也是一种拓宽工作频域的方式[25]，尤其是非线性系统具有宽频响应，可以更灵活地匹配振源的激励频率，利用振动系统的非线性行为进行宽频振动能量采集[26]。 1.2.1 双稳态及多稳态非线性振动能量采集 双稳态非线性系统可以从一个稳态突跳到另一个稳态，可以在宽频范围产生大振幅振动，显著增大功率输出[20，27]。 屈曲梁(或屈曲板)具有非线性双稳态特性(图1-3(a))，与压电材料复合可用于非线性双稳态振动能量采集[28]。双稳态压电屈曲梁/板能够在宽频范围有效俘获能量[29]。Emam等[30]总结、回顾和评估了关于双稳态复合材料用于变形和能量采集的文献及发现。 Cleary等[31]建立和实验验证了双稳态屈曲梁模型，准确预测了产生双稳态突跳所需的临界激励。 Betts等[32]研究表明，优化双稳态压电复合材料的几何形状和压电尺寸(如器件长宽比、厚度、堆叠方式和压电面积等)可以显著增大电压输出。 Zhu等[33]发现，通过磁力作用可使双稳态压电屈曲梁在低频激励下产生较高电压，并且拓宽了工作频域。还有研究表明，双稳态压电屈曲梁也可以应用于更复杂的激励环境，如随机振动下的能量采集[34]、大幅值往复运动能量采集[35]等。 图1-3 屈曲形式的双稳态 利用非线性磁力可以构建双稳态系统，一般在压电悬臂梁末端设置永磁体(图1-4)。在压电悬臂梁末端设置的永磁体可以是相互排斥的[36-38]，也可以是对称的相互吸引的[39，40]。研究表明，调整永磁体间距在接近单稳态向双稳态转变的区域，系统具有昀优的俘获能量的性能[41]。磁力耦合非线性双稳态系统也被用于随机激励[42，43]、脉冲激励[44]、驰振风能采集[45]、人体运动能量采集[46]等。在宽频随机激励下，按照激励强度设计的双稳态能量采集器具有更好的性能，否则，单稳态能量采集器可能更加实用[47]。研究者还针对双稳态振动能量采集器设计了非线性能量采集电路[48]。 在一般双稳态能量采集器的基础上，研究者提出了一些优化方式。通过改变永磁体的倾斜角度来改变双稳态系统的非线性特性[49]。在双稳态系统引入随机共振可以优化振动能量采集性能[50]。通过在中间位置设置一个小磁体可以降低双稳态势能阱间突跳临界值，显著增强器件俘获随机振动能量的能力[51]。通过弹性支承也可以增强随机激励下双稳态振动能量采集器的性能，如图1-5(a)所示[52]。二自由度磁力耦合非线性双稳态振动能量采集器可用于宽频振动能量的采集[53]，也可用于俘获更宽转速范围的振动能量，如图1-5(b)所示[54]。 图1-4 磁力耦合双稳态系统 图1-5 双稳态振动能量采集器 此外，还有一些其他的双稳态压电能量采集设计，例如，带末端质量的垂直梁在垂直激励下具有双稳态特性[55]；在此基础上，末端设置电磁铁和永磁体的双稳态系统具有自适应功能[56]；基于线性振子的双稳态系统[57-59]也用于电磁能量采集[60-62]。 多稳态系统也被用于振动能量采集(图1-6)。三稳态势能阱间距会更大，有利于增加振动幅值[63，64]。相比双稳态系统，三稳态系统势能阱更浅，可以在更弱激励、更宽频率实现阱间运动，以产生较高的功率输出[65-68]。此外，四稳态能量采集器在特定激励下也可以显著提高能量采集效率[69，70]。 图1-6 多稳态系统 1.2.2 基于内共振的非线性振动能量采集 内共振是一种典型的非线性现象。 Chen等[71-74]创造性地探索了内共振能量采集，设计了一种具有突跳非线性的电磁能量采集器[71]，通过理论分析发现基于内共振的非线性振动能量采集器比相同尺寸的线性振动能量采集器性能更优。随后， Chen等[73，74]研究了基于内共振的压电振动能量采集，设计了一种带有永磁体的 L形压电悬臂梁结构，如图1-7(a)所示，调节磁体距离使得振动系统的第二模态频率近似为**模态频率的2倍，实验验证了内共振显著拓宽了振动能量采集器的工作频域。秦卫阳教授团队[75]研究了带末端质量的垂直梁在垂直激励下的振动能量采集，通过内共振提高了能量俘获效率。实验结果证明，内共振可以将激励能量转移到低阶模态，主要是**模态和第二模态，可以产生较大的输出电压。 Xu等[76]设计了一种多方向振动能量采集器，包括单根压电悬臂梁和固定在其末端的摆锤，如图1-7(b)所示，实验验证了1∶2内共振使得单根压电悬臂梁可以在多方向振动激励下俘获能量。 Xiong等[77]提出了一种基于内共振的宽频振动能量采集器，包括一个主要的非线性振子和一个辅助振子，并通过实验验证了基于内共振的非线性振动能量采集器具有更宽的工作频域。 图1-7 基于内共振的能量采集器[74，76] 1.3 旋转运动压电能量采集理论与技术进展 旋转运动是民用和工业应用中昀常见的机械运动形式之一。旋转运动能量采集也是目前的研究热点之一。旋转运动更加规则和可控，有利于机电能量转换，适合几乎所有的机电转换机制。 1.3.1 旋转运动能量源 几乎所有的机械能量源都可以直接或者间接产生旋转运动，包括自然环境中的能量，人体运动的能量，设备、车辆运转的能量，土木、建筑等结构的振动能量等。 空气流动和水流动可以驱动叶片旋转，也可以引起振动，而振动可以转换为旋转运动；波浪也可以驱动机械机构旋转。已经有许多学者通过旋转运动的形式