[发明专利]一种实现宽频响应的二自由度压电振子的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于面向能量补给的压电式环境振动能量采集技术领域，涉及一种实现宽频响应的二自由度压电振子的设计方法，用于提高压电振子对宽频振动激励的响应率的结构参数优化设计。

背景技术

随着无线传感器网络、嵌入式智能结构等功耗低、独立工作系统的迅速发展，对长寿命的独立电源供应技术的需求越来越强烈。目前，电池仍然是这类系统的首选电源，但电池的容量毕竟有限，需要定期更换，对上述系统的应用带来很大的不便。同时，大量使用电池也容易对环境造成危害。近些年来，环境能量采集作为一项新的技术理念，得到越来越多的关注，利用环境能量采集技术为无线传感器网络及其他便携式电子器件提供能量补给，逐步成为目前研究的一项前沿课题。环境中可采集利用的能量有机械振动能、光能、热能等。机械振动能是环境中广泛存在的能源之一，自然生活与工作环境中的振动几乎无处不在，且不像太阳能、热能等受到自然条件制约，直接从环境中采集振动能量，为低功耗电子器件供能具有广阔的应用前景。

根据能量转换机理的不同，将振动能转换为电能的有效方法主要有电磁式、静电式和压电式等3类，与前两种振动能量采集方式的技术原理比较，压电方式具备体积小、结构简单、能量密度高，无电磁干扰、寿命长、易于实现微型化、集成化以及与MEMS加工工艺兼容等诸多优点，且能满足此类微小型低耗能产品的供能需求，已成为目前研究的热点。

通过向压电元件施加预定频率的驱动信号(激励)而振动的振动体称为压电振子。压电振子是振动能量采集装置的核心元件，它的材料特性、几何参数、振动模式、支撑方式等直接影响着振动能量采集的效率。当外部环境的激振频率等于压电振子固有频率，即发生谐振时，压电振子的输出功率达到最大。如果外部振源已知，可以通过调整结构参数设计出与之频率匹配的压电振子。但现实中振动源的频率往往存在变化，难以保持在一个稳定频点上。为提高输出功率必须尽可能使振子对外部激励的响应处于谐振状态下。目前环境振动能量采集技术研究的压电振子大多采用单自由度悬臂梁结构，其谐振频带宽度窄；例如单自由度悬臂梁压电振子的谐振频率中心为20Hz，阻尼比为0.02时，其谐振带宽不到1Hz，若激振频率偏离谐振频率中心0.5Hz以上，则压电振子对振动激励的响应率将会显著下降。因此，谐振响应频率范围宽的压电振子才具有较大的适用性和实用性，如何扩展压电振子的谐振带宽也是环境振动能量采集技术研究的一个关键点。

在现有环境振动能量采集技术研究中，提出了利用频率控制技术扩展压电振子谐振工作带宽的方法，在该方法中设计有一个控制装置，当外部振动频率发生变化时，通过控制装置自动调整压电振子固有频率，使之与外部振动频率匹配。目前国外学者分别通过预加轴向应力与利用电容载荷变化微控制的频率控制技术，设计出了较宽频带压电振子，但这种结构较复杂，成本较高，且能量转换效率低。

目前对压电振子的结构还缺乏系统的设计方法，压电振子的设计通常是单一地考虑对宽频响应的需求(例如配置谐振频点不同且独立的多个单自由度振子合成一组，即阵列型式，来适应不同频率的振动激励)，或者是对输出功率的需求，没有同时兼顾这两个方面的要求，同时对压电振子结构稳定性缺乏考虑。

总结现有压电振子设计方法可发现，常规方法设计的单自由度结构压电振子谐振工作频带较窄，不利于压电式环境振动能量采集技术的实际应用；而目前见诸报道的基于频率控制方法设计的宽频带压电振子，结构复杂，在结构稳定性方面欠考虑，能量转换效率低，实用性差。虽然目前在输出功率、宽频响应等问题上提出了许多设计方法，但大多局限于解决其中某一问题，缺乏系统的指导方法。

单自由度系统的谐振响应频带宽度为2ξf₀(其中f₀为单自由度系统的固有频率，ξ为阻尼比)，因此，当二自由度系统的谐振响应频带宽度大于单自由度系统的2倍时，可称为宽频响应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现宽频响应的二自由度压电振子的设计方法，本方法能在保持高效率能量转换的前提下，实现二自由度压电振子的宽频响应。

发明的技术解决方案如下：

一种实现宽频响应的二自由度压电振子的设计方法，该二自由度压电振子包括两个单自由度悬臂梁压电振子，两个单自由度悬臂梁压电振子上下平行且固定于同一基座，每一个单自由度悬臂梁压电振子的自由端设有一个质量块，用弹簧连接两个质量块，实现2个单自由度悬臂梁压电振子的耦合，所述的设计方法包括以下步骤：