低频振动能量收集器的设计与性能研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

随着微电子制造工艺技术和微机电系统加工技术的飞速发展，出现了越来越

多的小型化低能耗的电子设备，使用电池供电的方式已经不再适用，亟需寻找一种

新型的供能方式，振动能是自然界中极其常见的能量形式，而且不受自然条件的约

束，因此可以通过振动能量收集的方式为微型电子设备供电。在众多振动能量收集

技术里，压电式能量收集技术具有无需外部供电，输出功率大的优势，基于此本文

对低频环境下振动能量的收集进行了研究。

本文利用压电材料的压电效应实现振动能量收集，对比了不同压电材料的性

能，分析了压电材料的两种工作模式，通过单自由度弹簧—质量块模型分析机电转

换的原理，对系统的振动特性和功率输出特性进行分析，包括振动加速度、结构质

量和阻尼比等的影响。提出了压电悬臂梁—质量块器件结构，结构主要包括支撑层

和压电层，并在悬臂梁自由端添加质量块以降低结构固有频率，定性分析了悬臂梁

结构的尺寸参数对固有频率的影响，并建立压电悬臂梁等效电路模型，对机械域中

的力学参数与电域中的电学参数的转换进行分析，得到了输出电压与压电层厚度、

结构应变的关系。通过有限元分析软件对压电能量收集器进行建模，并对结构的力

学特性和压电特性进行分析，通过改变悬臂梁的各个尺寸参数和质量块的质量研

究结构固有频率的变化，以优化器件的设计。

通过理论研究和仿真分析确定了器件的结构和尺寸参数后，设计并制作了基

于PZT压电材料的低频振动能量收集器，采用了由信号发生器、功率放大器、振

动台、加速度计和示波器所组成的测试系统对器件进行性能分析测试。测试结果表

明，单悬臂梁结构的压电能量收集器的谐振频率为26Hz，加速度幅值为0.035g时，

器件工作在谐振状态下，最佳匹配负载阻抗为95k，最大输出功率为0.47mW。

针对单悬臂梁结构工作频率状态单一的缺陷，设计并制作了悬臂梁阵列式结构的

压电能量收集器，具备在多频率收集能量的优点，经过测试阵列式结构的器件在并

联和串联连接时的工作频率范围均得到扩展，在幅值为0.0175g的加速度激励下，

器件工作在谐振状态下，最大输出功率为0.0779mW。通过将压电能量收集器产生

的正弦电压信号通过桥式整流电路为100μF的电解电容充电，可获得2.8547V的

直流电压，说明本文研究的压电能量收集器可以将振动能转化为电能，有望为小型

化低功耗的电子设备供电问题提供解决方案。

关键词：能量收集；压电；振动；悬臂梁

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哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmicroelectronicsmanufacturingtechnologyand

micro-electro-mechanicalsystemprocessingtechnology,therearemoreandmore

miniaturizedandlow-energyelectronicdevices,theuseofbatterypowersupplyisno

longerapplicable,itisurgenttofindanewtypeofenergysupply,vibrationenergyisa

verycommonformofenergyinnature,andisnotsubjecttonaturalconditions.Itis

thereforepossibletopowertinyelectronicdevicesbymeansofvibrationenergy

harvesting.Amongthemanyvibrationenergyharvestingtechnologies,piezoelectric

energyharvestingtechnologyhasthe