Page 44 - 《振动工程学报》2026年第3期
P. 44

644                                振   动   工   程   学   报                               第 39 卷

                  近年来，微电子技术的快速发展使得无线传感                          下，能量采集器的动态输出性能大大降低。为了克
              器、可穿戴/可植入等低功耗电子器件得到迅猛的发                           服上述问题，ZOU 等        ［19⁃20］ 设计了一种可编程连续光
              展和广泛的关注。海量低功耗无线传感器被广泛应                            滑的非线性力模型，将其与压电悬臂梁集成，设计出
                                                         ［1］
              用于物联网系统中，以监测各种系统的运行状态 。                           具有可编程势能阱结构的单稳态和多稳态压电振动
              有资料显示，2020 年全球使用电池供电的无线传感                         能量采集器。这为提升压电振动能量采集器的综合
              器 节 点 高 达 50 亿 个 ，预 期 到 2025 年 将 突 破 270 亿        输出性能提供了一种设计思路和调控方法。基于可
              个，电池更换、维护和处理不当将会造成资源浪费和                           编程的多稳态压电振动能量采集器还有很多机理性
                      ［2］
              环境污染 。因此，如何为无线传感器网络中庞大                            问题未得到有效解决，诸如可编程势能阱轨道的设
              数量的节点供电是一个巨大的挑战。                                  计方法及其诱导产生非线性力的机理等等。另外，
                  无线传感器节点工作坏境中存在大量的振动能                          非对称势能阱近年来被证明可以进一步提升压电振
              量，利用压电振动能量采集器采集环境振动能量并                            动能量采集器的动态特性，扩展有效工作频带。遗
              转换成电能，从而为低功耗传感器节点自供电是一                            憾的是，具有非对称势能阱的可编程压电振动能量
              种绿色可持续的供能策略，符合国家碳中和/碳达峰                           采集器尚未得到广泛关注。
              发展理念 。然而，早期研制的线性谐振式压电振                                 本文提出可编程 3D 打印的非对称双稳态压电
                      ［3］
              动能量采集器普遍存在工作频带窄、发电效率低等                            振动能量采集器，通过用户直接定义和可编程方法
              问题  ［4⁃7］ ，无法满足低功耗传感器工作环境中振动的                     调节双稳态非对称势能阱的平衡点数目及其初始坐
              宽频性、随机性、低强度等特点              ［8⁃10］ 。利用磁铁耦合        标位置，设计得到期望的非线性力和非对称势能函
              或弹簧耦合效应研制的非线性压电振动能量采集器                            数表征模型，并利用 3D 打印技术加工获得非对称双
              被证明具有较宽的工作频带和较高的发电效率，并                            稳态势能阱轨道，通过与弹簧⁃滚轮接触耦合实现压
              且可以降低压电振动能量采集器对环境参数不确定                            电振动能量采集器的频带拓宽和高效能量转换。
              性的敏感度，成为当前压电振动能量采集器研究的
              热点之一。YANG 等        ［11］ 研究了磁体非线性对降低               1 可编程非对称双稳态压电振动能量
              激励阈值以及提升压电振动能量采集器带宽的作                                  采集器结构及理论模型
              用。唐炜等     ［12］ 提出双稳态压电振动能量采集器（bi⁃
              stable energy harvester，BEH），试验验证了双稳态压
                                                                1. 1 结构模型
              电振动能量采集器能在低水平的激励下进行有效的
              能量采集，并且通过谐波平衡法分析了系统的动态                                 为了克服传统双稳态压电振动能量采集器受磁
              输出。张宇轩等       ［13］ 提出了一种组合螺旋压电能量采                 铁分布和数量的影响，设计了图 1 所示的可编程非
              集器来降低谐振频率，同时此采集器能进行多方向                            对称双稳态压电振动能量采集器结构，主要包括两
              能量收集，提高输出。YAO 等            ［14］ 考虑了 L 型梁结构        个模块：一是由压电悬臂梁及其末端可编程设计的

              的 BEH，其 系 统 势 能 阱 呈 不 对 称 分 布 。 HARNE             非对称双稳态势能阱轨道构成的能量采集器主体；
              等 ［15］ 在 BEH 上安装辅助线性振荡器，以提高其发电                    二是由滚轮⁃预压弹簧和线性保持器构成的预压调
              性能和鲁棒性。ZHOU 等           ［16］ 提出了一种由两个悬            节机构。压电悬臂梁左端固定在基座上，接收外部

              臂 梁 组 成 的 柔 性 BEH 来 提 高 发 电 效 率 。 YANG            环境激励输出/入的振动能量，自由端与可编程双稳
              等 ［17］ 设计了一种由 5 个线性弹簧构成的压电⁃电磁                     态势能阱轨道相连。可编程双稳态势能阱轨道一方

              混合的三稳态压电振动能量采集器（tristable energy                  面作为压电悬臂梁末端集中质量，可以降低系统的
              harvester，TEH）。 LI 等 ［18］ 通 过 调 整 固 定 磁 铁 到 对     固有频率，有效采集低频振动能量；另一方面通过与
              称轴的距离建立三稳态压电振动能量采集器的阶梯                            滚轮的接触耦合产生非线性力，激发压电悬臂梁产
              状势阱，分析发现在弱随机激励下产生的能量密度                            生非对称双稳态的阱间运动，以提升压电振动能量
              输出更高。不难发现，上述非线性压电振动能量采                            采集器的输出性能。滚轮与线性保持器串联连接，
              集器主要通过调节磁铁或弹簧间距等方法改变非线                            并通过预压弹簧与基座相连。弹簧的预压变形使得
              性力，从而拓宽能量采集器的工作频带，提升发电效                           滚轮与可编程双稳态势能阱轨道之间保持水平接
              率。但这种调节方法非常粗糙，且需要额外的辅助                            触。为保证预压弹簧在运动过程中不发生偏移，在
              调节机构，增加了系统结构的复杂度。此外，这类结                           滚 轮 与 弹 簧 之 间 加 装 线 性 保 持 器 对 其 进 行 约 束 。
              构的非线性力或静态平衡点位置不能任意配置，势                            图 2 为压电悬臂梁一个振动周期内不同运动位置的
              能阱之间的势垒较高，在外部环境激励较弱的情况                            轨道⁃滚轮⁃弹簧系统的运动状态示意图。由图 2 可
   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49