[發明專利]一種懸臂梁式電振動能量收集器件的等效電路模型

在審

• 申請號: 201710344314.7
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN108880325A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 馬建國;趙升;傅海鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學（青島）海洋工程研究院有限公司
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種懸臂梁式壓電能量收集器件的等效電路模型，該模型精確地描述了懸臂梁式壓電能量收集器件的輸出電壓與環境振動頻率和加速度的關系，不但能用來模擬單、雙壓電晶片懸臂梁式壓電振動能量收集器件的機電耦合關系，而且能模擬含有多層非壓電層的壓電振動能量收集器件，基于此等效電路模型，研究人員可以在電路仿真軟件中較精確地模擬出實驗條件下懸臂梁式壓電能量收集器件的電學特性。

技術領域

本發明涉及振動環境能量收集技術以及電路設計領域，特別涉及到提高懸臂梁式壓電振動能量收集器件的等效電路模型精度的建模及參數確定方法。

背景技術

從20世紀80年代開始，國外一些科研機構開始研究基于機械能的集能系統，研究結果表明：從機械振動中獲取能量是切實可行的，雖然只能產生小級別的電力，一般在微瓦到毫瓦之間，但對于微功耗系統已經足夠。振動能量收集器件可以將環境中廣泛存在的振動能轉換為電能，其能量轉換所采用的方式根據機電轉換原理的不同分為靜電式、電磁式和壓電式三類。靜電式通過可變電容因振動造成的容量變化來實現，這種方法最吸引人的特性是具有IC相容性，可以通過硅微加工技術制造，并進行批量生產。但是為了實現電容兩端的電壓約束或電荷約束，需要獨立的電源支持。電磁式通過導體在磁場中的振動來產生電能。這種方式產生的感應電壓很小，使用變壓器、提高線圈圈數和提高磁場強度可以提高感應電壓，但這些方法都受到尺寸的限制。壓電式通過壓電效應把機械能轉換為電能。這種方式通常采用懸臂梁結構并在懸臂獨立端上放置質量塊來構成振蕩系統，與上述兩種能量轉化方式相比，可以達到更高的能量密度。壓電轉換方式具有很多優點：首先它可以直接產生合適的電壓，不需要變壓；其次，它不像靜電轉換那樣需要初始電壓；第三，它沒有結構設計限制，從理論上說它的機械阻尼系數可以設計得比較小；第四，壓電裝置沒有電磁干擾。振動在我們周圍普遍存在，它既帶來噪聲污染，加速設備損耗，也造成能源的浪費。

在壓電懸臂梁受到外界振動激勵時機械能轉化為電能的研究過程中，為懸臂梁式壓電能量收集器件建立理論模型是必不可少的基礎工作。目前國內外研究人員針對壓電懸臂梁理論模型已經展開了一些研究，但是由于從事壓電振動能量收集技術研究的研究人員擁有著各種各樣的專業背景（電子、機械、材料物理等），所以這些模型的形式與應用領域也各有差別，比如“彈簧-質量塊阻尼振動模型”，如圖1所示，主要包括彈簧、質量塊、阻尼器和基座。當基座在外界激勵的作用下發生振動時，質量塊隨之振動，從而把外界的振動能轉化為電能。這個模型作用在于將由振動質量塊引起的機械能到電能的轉化過程用該“彈簧-質量塊阻尼振動模型”系統中的線性阻尼表示。但是對于電子領域工程師或研究人員而言，此模型無法在電路仿真軟件中進行建模分析，從而限制了此模型在電子領域的應用。

而另外一種動態變壓器模型，如圖2所示，則可以在電路仿真軟件中進行建模分析。該模型將壓電懸臂梁分為機械域和電域，兩者之間用轉換率為 n 的變壓器連接，機械域中的所有機械參數，如力、阻尼、質量等，都采用電學量替代，如電壓源、電容、電感和電阻等。圖中δin代表換能器的等效輸入應力；等效電感Lm代表換能器的質量或者慣性力；等效電阻Rb代表機械阻尼；等效電容Ck代表懸臂梁的機械剛度；n代表換能器的等效轉化效率；Cb表示懸臂梁的電容；V是壓電換能器在負載R上的電壓。但此模型只能用來模擬單、雙壓電晶片懸臂梁式壓電振動能量收集器件的機電耦合關系，對于含有多層非壓電層的壓電振動能量收集器件，此模型參數確定方法不再適用。

發明內容

一種懸臂梁式壓電能量收集器件的等效電路模型及模型參數確定方法，這個模型精確地描述了懸臂梁式壓電能量收集器件的輸出電壓與環境振動頻率和加速度的關系，不但能用來模擬單、雙壓電晶片懸臂梁式壓電振動能量收集器件的機電耦合關系，而且能模擬含有多層非壓電層的壓電振動能量收集器件，基于此等效電路模型，研究人員可以在電路仿真軟件中較精確地模擬出實驗條件下懸臂梁式壓電能量收集器件的電學特性。