螺旋形压电悬臂梁多方向振动能量采集器设计及性能分析

作     者：曹东兴 詹昌海 李莎莎 毛佳佳 CAO Dongxing;ZHAN Changhai;LI Shasha;MAO Jiajia

作者机构：北京工业大学材料与制造学部 机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室 

出 版 物：《传感技术学报》 (Chinese Journal of Sensors and Actuators)

年 卷 期：2024年第37卷第4期

页      面：551-557页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

基　　金：国家自然科学基金项目(11972051,11672008) 北京工业大学国际科研合作种子基金项目(2021A08) 

主　　题：振动能量采集 螺旋压电梁 多方向 低频振动 固有频率 

摘      要：为适应振动环境多方向激励输入，提出一种基于螺旋形压电悬臂梁结构的多方向振动能量采集器。首先把聚偏氟乙烯（PVDF）粘贴在紫铜基层上组成螺旋压电片，进一步由四个螺旋压电片组成双向耦合的振动能量采集器。通过有限元仿真和实验分析单螺旋压电片和四片耦合的多方向振动能量采集器的振动特性及能量采集特性，探讨了螺旋形结构几何参数和附加质量对其固有频率的影响、负载电阻对其输出功率的影响以及在不同负载下的开路输出电压和功率。结果表明，半径、径向节距、配重质量和厚度对对单片螺旋压电片的固有频率影响较大。通过对其附加5 g和10 g附加质量，将第一阶固有频率从无附加质量的29 Hz分别降至22 Hz和18 Hz;最佳外接电阻为1×10～7Ω,峰值电压和功率分别为12 V和7μW。对于由四片螺旋压电片组成的多方向振动能量采集器，结果表明其在5 m/s2加速度激振器激励时，输出电压最高可达17 V,具有良好的低频振动能量多方向采集的效果。