[发明专利]一种悬臂梁式电振动能量收集器件的等效电路模型

说明书

一种悬臂梁式压电能量收集器件的等效电路模型，该模型精确地描述了悬臂梁式压电能量收集器件的输出电压与环境振动频率和加速度的关系，不但能用来模拟单、双压电晶片悬臂梁式压电振动能量收集器件的机电耦合关系，而且能模拟含有多层非压电层的压电振动能量收集器件，基于此等效电路模型，研究人员可以在电路仿真软件中较精确地模拟出实验条件下悬臂梁式压电能量收集器件的电学特性。

技术领域

本发明涉及振动环境能量收集技术以及电路设计领域，特别涉及到提高悬臂梁式压电振动能量收集器件的等效电路模型精度的建模及参数确定方法。

背景技术

从20世纪80年代开始，国外一些科研机构开始研究基于机械能的集能系统，研究结果表明：从机械振动中获取能量是切实可行的，虽然只能产生小级别的电力，一般在微瓦到毫瓦之间，但对于微功耗系统已经足够。振动能量收集器件可以将环境中广泛存在的振动能转换为电能，其能量转换所采用的方式根据机电转换原理的不同分为静电式、电磁式和压电式三类。静电式通过可变电容因振动造成的容量变化来实现，这种方法最吸引人的特性是具有IC相容性，可以通过硅微加工技术制造，并进行批量生产。但是为了实现电容两端的电压约束或电荷约束，需要独立的电源支持。电磁式通过导体在磁场中的振动来产生电能。这种方式产生的感应电压很小，使用变压器、提高线圈圈数和提高磁场强度可以提高感应电压，但这些方法都受到尺寸的限制。压电式通过压电效应把机械能转换为电能。这种方式通常采用悬臂梁结构并在悬臂独立端上放置质量块来构成振荡系统，与上述两种能量转化方式相比，可以达到更高的能量密度。压电转换方式具有很多优点：首先它可以直接产生合适的电压，不需要变压；其次，它不像静电转换那样需要初始电压；第三，它没有结构设计限制，从理论上说它的机械阻尼系数可以设计得比较小；第四，压电装置没有电磁干扰。振动在我们周围普遍存在，它既带来噪声污染，加速设备损耗，也造成能源的浪费。

在压电悬臂梁受到外界振动激励时机械能转化为电能的研究过程中，为悬臂梁式压电能量收集器件建立理论模型是必不可少的基础工作。目前国内外研究人员针对压电悬臂梁理论模型已经展开了一些研究，但是由于从事压电振动能量收集技术研究的研究人员拥有着各种各样的专业背景（电子、机械、材料物理等），所以这些模型的形式与应用领域也各有差别，比如“弹簧-质量块阻尼振动模型”，如图1所示，主要包括弹簧、质量块、阻尼器和基座。当基座在外界激励的作用下发生振动时，质量块随之振动，从而把外界的振动能转化为电能。这个模型作用在于将由振动质量块引起的机械能到电能的转化过程用该“弹簧-质量块阻尼振动模型”系统中的线性阻尼表示。但是对于电子领域工程师或研究人员而言，此模型无法在电路仿真软件中进行建模分析，从而限制了此模型在电子领域的应用。

而另外一种动态变压器模型，如图2所示，则可以在电路仿真软件中进行建模分析。该模型将压电悬臂梁分为机械域和电域，两者之间用转换率为 n 的变压器连接，机械域中的所有机械参数，如力、阻尼、质量等，都采用电学量替代，如电压源、电容、电感和电阻等。图中δin代表换能器的等效输入应力；等效电感Lm代表换能器的质量或者惯性力；等效电阻Rb代表机械阻尼；等效电容Ck代表悬臂梁的机械刚度；n代表换能器的等效转化效率；Cb表示悬臂梁的电容；V是压电换能器在负载R上的电压。但此模型只能用来模拟单、双压电晶片悬臂梁式压电振动能量收集器件的机电耦合关系，对于含有多层非压电层的压电振动能量收集器件，此模型参数确定方法不再适用。

发明内容

一种悬臂梁式压电能量收集器件的等效电路模型及模型参数确定方法，这个模型精确地描述了悬臂梁式压电能量收集器件的输出电压与环境振动频率和加速度的关系，不但能用来模拟单、双压电晶片悬臂梁式压电振动能量收集器件的机电耦合关系，而且能模拟含有多层非压电层的压电振动能量收集器件，基于此等效电路模型，研究人员可以在电路仿真软件中较精确地模拟出实验条件下悬臂梁式压电能量收集器件的电学特性。