Page 55 - 《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 655

图 21 为研制的可编程压电振动能量采集器输
出电压经过 AC/DC 接口电路（电容为 22 µF）后，为
低功耗 LED 灯供电的应用效果图。其中，图 21（a）、
（b）和（c）分别为 1 颗、3 颗和 5 颗 LED 灯串联使用的
情况，图 21（d）为 7 颗 LED 灯并联使用的情况，采集
器的激励条件为 f=5 Hz、A=3 m/s 。可以看出，研
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制的压电振动能量采集器完全可将上述不同连接形
式的多个 LED 灯点亮，使之正常发光工作，表明了
研制的可编程压电振动能量采集器可以满足低功耗
图 22 可编程压电振动能量采集器为数字温度计供电的
电子元器件的自供电需求。
实际应用效果
Fig. 22 Practical application effects of programmable
piezoelectric vibration energy harvesters for power
supply of digital thermometer

5 结 论

本文设计了一种基于 3D 打印的可编程非对称
双稳态压电振动能量采集器，通过可编程改变静态
平衡点位置和非对称轨道来获得所需要的非线性
力，继而建立机电耦合动力学模型。仿真和试验验
证 了 本 设 计 的 可 行 性 和 有 效 性 ，获 得 的 主 要 结 论
如下：
（1）通过可编程方法，用户可以直接定义平衡点
坐标，进而获得期望的可编程非对称双稳态势能阱
图 21 可编程压电振动能量采集器为低功耗 LED 灯供电的 轨道及其压电振动能量采集器结构。
应用效果
（2）弹簧刚度对轨道畸变以及悬臂梁的屈曲有
Fig. 21 Application effects of programmable piezoelectric
较大影响，选择适当的弹簧刚度，可以得到比较平滑
vibration energy harvesters for power supply of low
的轨道，既能避免压电悬臂梁的屈曲，又能提升压电
power consumption LED lamp
振动能量采集器的输出性能。
为了进一步验证可编程压电振动能量采集器是 （3）可编程非对称坐标间距较小的势能阱轨道，
否能够满足低功耗电子器件的供电需求，图 22（a） 在低频、低激励振动环境中更容易跳转进入大幅值
展示了研制的可编程轨道结构压电振动能量采集器 的阱间双稳态运动，产生宽频大幅值的压电电压。
为数字温度计（OMRON MC⁃246）供电的实际应用 非对称平衡点坐标的间距增大，可编程势能阱轨道
效果。其中，数字温度计的额定电压为 1.5 V，采集 产生的非线性力和势垒随之增大，需要提供更大的
器的激励条件为 f=5 Hz、A=3 m/s 。压电振动能 激励加速度才能使压电振动能量采集器跳转进入大
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量采集器的输出电压经过 AC/DC 电路转换后通过 幅值的双稳态阱间运动。
2
电容储能代替化学电池为温度计供电。图 22（b）展 （4）在 加 速 度 为 2 m/s 的 条 件 下 ，设 计 的 三 种
示了数字温度计在压电振动能量采集器供电状态下 （Ⅰ⁃型、Ⅱ⁃型和Ⅲ⁃型）可编程轨道结构压电能量采
的开机时刻；图 22（c）和（d）分别为压电振动能量采 集器的归一化功率输出密度分别达到 16.163、15.6
−2
−1
集器供电状态下数字温度计测量手指和手心温度的 和 14.151 mW∙cm ∙g ∙Hz ，优于同类压电振动能
−3
显示结果（36.2 ℃和 36.4 ℃）；图 22（e）和（f）分别为 量采集器的输出性能。
数字温度计的正面和反面（纽扣电池已被能量采集 本文提出的基于 3D 打印的可编程设计方法灵
器代替）。从上述结果中可以清楚地看出，研制的可 活简单，不仅可以根据用户需求设计制作个性化的

编程压电振动能量采集器能够提供可持续电能，驱 非对称双稳态势能阱轨道和压电振动能量采集器，
动数字温度计正常工作和测量显示。 还可以通过编程设计制作任意非对称、对称型多稳