Page 51 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 张海彬，等： 可编程 3D 打印的非对称双稳态压电振动能量采集器性能研究 651

表 3 压电振动能量采集器性能比较
Tab. 3 Performance comparison of piezoelectric vibration energy harvesters
轨道类型 采集器类型 PZT 体积/mm −3 加速度/(m∙s ) 带宽/Hz 工作频率/Hz NPD/(mW∙cm ∙g ∙Hz )
−3
−2
−1
−2
HU 等 [21] Bi-stable 32 20 12 45.37 0.166
YI 等 [23] Bi-stable 4 20 15 105.3 0.356
ZHOU 等 [24] Bi-stable 144 3.5 6 10 0.453
TANG 等 [25] Bi-stable 1.67 10 11 10 1.407
YEO 等 [22] Bi-stable 724.25 1.5 30 6.2 2.148
轨道Ⅰ-型 Bi-stable 20 2 4.6 5.8 16.163
轨道Ⅱ-型 Bi-stable 20 2 2.6 5.6 15.600
轨道Ⅲ-型 Bi-stable 20 2 1.7 5.3 14.151

出优异的动态输出性能。HU 等 ［21］ 和 YEO 等 ［22］ 提 图 13（b）为搭建的压电振动能量采集器试验测
出的压电振动能量采集器虽然具有较宽的工作频 试平台。可编程压电振动能量采集器安装固定在激
带，但激励加速度幅值较高，且归一化功率输出密度 振 器（JZK ⁃ 5，CHINA）的 输 出 杆 上 ，信 号 发 生 器
很低。 （AFG3022B）产生交流谐波信号，经过功率放大器
（YE5871）后传输到激振器，激振器产生往复振动，
3 试验验证 用 于 模 拟 环 境 的 低 频 振 动 ；激 光 位 移 传 感 器
（LK⁃G3000，JAPAN）用于检测压电振动能量采集器
根据仿真分析和理论模型研制了如图 13（a）所 悬 臂 梁 末 端 的 振 动 位 移 信 号 ；动 态 信 号 分 析 仪
示的可编程非对称势能阱双稳态压电振动能量采集 （HD5992）用于采集并处理振动位移、发电电压等动
器原理样机，用于试验验证理论结果的正确性。原 态信号，对应波形通过示波器和显示器等动态显示；
直流电源为试验系统中相关仪器提供稳定的电能。
理 样 机 的 悬 臂 梁 由 不 锈 钢 片 制 成（130 mm ×
10 mm × 0.3 mm），其根部上表面通过高强度胶粘 为验证本文可编程非对称势能阱轨道产生非线
性力的正确性，搭建了如图 14 所示的非线性力试验
结 一 压 电 片（ 富 士 公 司 C6， 10 mm × 10 mm ×
0.2 mm），压电梁的自由端与可编程非对称势能阱 装置平台，采用测试精度为 0.001 N 的数字测力计
轨道相连，滚轮固定在线性保持器的右端与轨道充 （HF⁃10）进行测试。将数字测力计的触杆与轨道侧
分接触，线性保持器左端与弹簧相连，弹簧另一端固 边粘连，通过数字测力计对轨道施加压力和拉力来
定在基座挡板上。 改变悬臂梁末端位移，试验记录对应的位移和非线
性力。为了提高测量精度，最终试验结果采用多组
测试数据的平均值。图 15 为三种（Ⅰ⁃型、Ⅱ⁃型和
Ⅲ⁃型）可编程势能阱轨道非线性力的仿真与试验结
果对比。可以看出，试验结果与仿真结果比较吻合，
验证了本文提出的可编程设计方法是正确可行的。
另外，随着非对称坐标的增大，非线性力逐渐增大，其
中，Ⅰ⁃型轨道产生非线性力的极大值为 0.0364 N，
Ⅲ⁃型轨道产生非线性力的极大值为 0.163 N。

图 13 试验原理样机及试验测试平台 图 14 可编程轨道非线性力试验装置平台
Fig. 13 Experimental principle prototype and experimental Fig. 14 Experimental devices platform for nonlinear forces of
test platform programmable raceway