基于冲击频率增加的压电振动能量收集器，用于人体运动相关环境外文翻译资料

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基于冲击频率增加的压电振动能量收集器，用于人体运动相关环境

会议论文·2013年4月

DOI：10.1109 / NEMS.2013.6559879

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基于冲击频率增加的压电振动能量收集器，用于人体运动相关环境

Miah A. Halim，Sungwon Khym，Jae Y. Park *

韩国Kwangwoon大学电子工程系Micro / Nano Devices and Packaging Lab，首尔，139-701

*通讯作者：Jae Y. Park， jaepark@kw.ac.kr

摘要 - 本文提出了一种频率增加的压电振动能量收集装置，其中具有水平延伸的矩形尖端的驱动梁的低频周期性碰撞使得两个压电发生梁同时振动，其谐振频率更高，产生更高的功率输出。 柔性驱动梁的尺寸为58times;4.8times;1mm3，每个带有苯乙烯支撑的压电发生梁的尺寸为15times;3.5times;0.8mm3。 所提出的能量收集器的每个生成光束在4 ms-2加速度下在200KOmega;的最佳电阻负载下产生46.51mu;W的最大峰值输出功率，并在加速度增加至6 ms时增加至129.15mu;W-2，工作频率为12.5 Hz。 串联连接的两个发生光束的输出使器件的整体输出加倍。

关键词 - 频率增加发电机; 苯乙烯支持; 振动能量收集; 灵活的驾驶梁

  1. 介绍

随着无线和微机电系统（MEMS）技术的最新进展，能量收集成为传统电池替代品中最有前途的技术之一。 与便携式电子设备和无线设备的工作寿命相比，电池的寿命有限且短。 有时替换或充电电池效率低下。 因此，许多研究人员在过去几年中一直在研究能量收集技术作为这些便携式电子设备和无线设备的自供电源。 从环境振动收集能量是为小型系统供电的清洁和再生手段[1,2]。 通常使用电磁，压电，静电或磁电转换机制将振动能量转换为电能。 在我们周围的环境中，大部分环境振动发生在低频范围内。 基于人体的便携式和植入式系统所需的应用也具有低频率和大振幅位移的特点[3]。 然而，已经观察到具有低共振频率的收割机通常遭受减少的发电。 最大功率发生在共振处，功率流随着频率的降低而下降。 因此，通过以低谐振频率产生大量功率是相当困难的

机电耦合。 这导致了从低频环境振动中清除能量的新技术。 基于冲击频率增加的发生器是提高低频应用环境中输出功率的有效解决方案之一。 一些作者已经证明了这种利用机械升频转换技术的发生器[4-9]。

在本文中，基于冲击频率增加压电振动能量收集器是新提出和展示。 它由一个具有水平延伸的矩形尖端的低频柔性驱动梁和两个具有柔性支撑的高频压电发生梁组成，以产生增加的输出功率。 当两个发生的光束同时受到驱动光束的延伸尖端的冲击时，获得输出功率。 所提出的装置提供高能量转移以及增加的发电。

  1. 设计和制造
  2. 设备结构

所提出的能量收集器的几何结构如图1所示。低频驱动梁由柔性（聚合物）材料制成，其刚度较低，检测质量附着在水平延伸的矩形尖端上，撞击发生梁的自由端与此同时。 具有较高谐振频率的单压电晶片型压电产生光束由安装在作为支撑的非压电层上的压电层组成。 当外部振动施加到收割机上时，

图1俯视图（a），侧视图（b）和具有塑料支撑层的压电发生梁（c）所提出的频率增加了压电振动能量采集器。

978-1-4673-6352-5/13/$31.00 copy;2013 IEEE

949

NEMS2013，中国苏州，2013年4月7 - 10日

dz＆amp; kdz = ma sin（dt）;

dtd）（）（）（）（）（）（）（）（）（）

z d

z d

(1a)

(1b)

图2.基于冲击的压电能量的分段线性模型

其中omega;d是施加的激励频率。 随着发生梁的振动幅度呈指数衰减，假设发生的梁在发生下一次碰撞时保持在位置d处。

长度L和宽度W的发生光束分别由厚度为hp和hs的压电层和非压电支撑层组成。 当尖端施加集中的力F时，压电层表面上的平均应力可以表示为[11]

带有两个发电梁的收割机放置在具有相同垂直间隙的驱动梁的两侧。

FE ptt1t2 

wD  2 

n p p

(2)

柔性驱动梁开始振动，并且其水平延伸的尖端的两个内边缘周期性地撞击两个刚性发生梁，使其根据它们的谐振频率而振动并产生电力。 在碰撞期间，驱动梁和发电梁都会与系统的耦合振动一起振动

p

其中Ep是压电层的杨氏模量，D是梁的每单位宽度的弯曲模量，并且tn是中性平面离接合平面的位置。 因此，所产生的开路电压可以用平均应力和压电层的材料特性来表示，

频率，然后发电梁自由振动

他们自己的共振频率。

VOC=

1d31FE p

L   tntp

   

1 t 2 

(3)

2  r

0 wD 2 

  1. 理论建模

图2显示了单自由度（SDOF）弹簧质量阻尼器模型，以说明基于冲击的压电能量收集设备的分段线性模型。 它由质量m组成，该质量与弹簧常数kd的驱动梁的水平延伸的端部和阻尼常数相连

其中-d31是压电应变常数，εr和ε0分别是压电层的介电常数和自由空间的介电常数。 根据前面描述的周期性冲击振动模型的分段线性动力学，作为时间t的函数的每个生成光束的输出电压可写为

V R   t

2 2

cd和两个弹簧常数kg1，kg2和阻尼常数cg1，cg2

V（t）=OCOCeT gsin（t）;n t（n1）

（RLlarr;RS） d d

g

(4)

距离d。 由于发射光束的有效质量与驱动光束的尖端质量相比可以忽略不计，所以这些光束之间的冲击行为非常类似于非弹性碰撞[5]。 因此，当驱动梁的尖端质量撞击发生梁时，发生梁与驱动梁一起振动一小段周期，直到它们分离并将其传递

其中n = 0,1,2,3，......是冲击次数，RL和R<e

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