非线性旋转式振动能量采集器

西华师范大学电子信息工程学院 刘小亚 代显智

1 引言

近几年来，无线传感器、无线通信网络、嵌入式系统、便携式设备以及微机电系统(MEMS) 技术不断发展，但为之提供电源的传统电池因为寿命周期短、污染环境、维护费用高等缺点[1,2]，已经不能满足其供电需求。利用能量采集器将自然界中的振动能量转换为电能，可解决电子系统供电问题。

振动能量采集器大都采用悬臂梁感应环境的振动，但多数悬臂梁采集器只能响应环境振动中单一频率成分，比如：2008年，Wang等人利用磁致伸缩材料结合线圈采集振动能量，加速度为9.8m/s2保持不变时，输出功率密度为0.28mW/cm3[3]；2010年，代显智等人采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一种振动能量采集器，在加速度为0.5g，频率为33Hz的条件下，采集器获得了112.4μW的功率[4]；2009-2010年，杨进等人设计的振动能量采集器在1g加速度下，输出功率密度达到0.472 mW/cm3[5-7]。虽然这些采集器都有比较高的功率密度，但单频限制了振动能量采集器的使用范围。也有研究者利用悬臂梁方式实现了宽频能量采集，比如：2012年杨进等人采用磁致伸缩/压电层合材料设计的宽带振动能量采集器，振动加速度为0.2g(g = 9.8 m/s2)时，采集器响应频带宽5.0Hz，负载电阻为1900Ω时，其功率达到最大0.22mW[7]；2013年，岳喜海等人设计的具有环形磁路的采集器可以拾取0°～180°多方向的振动能量，各个方向响应频带宽度达到4.4～5.6Hz,负载电阻为3MΩ时，其功率达到最大0.5mW[1]。虽然使用悬臂梁也能实现宽频能量采集，但在大振幅振动下，容易造成悬臂梁断裂。另外，由于采集器的输出功率和频率成正比，输出功率低，因此在低频条件下无法提高输出功率。可以采用倍频的方式提高输出功率，但以上这些采集器都无法实现倍频，无法提高低频时的输出功率。

振动能量转换为电能主要有这四种工作方式：压电式[8,9]、电磁式[10]、静电式[11]和磁电式[12-14]。其中，磁电方式利用了磁致伸缩/压电层合材料的磁电效应发电，由于磁致伸缩材料具有很高的能量密度和磁机耦合系数，同时声速低，居里点温度高，在磁场变化很小的作用下，能使层合材料产生较大的电压输出，所以磁电方式具有输出电压和输出功率密度高等优点[7,14]。

因此，本文针对磁电方式能量采集装置的特点以及悬臂梁存在的缺点，设计了一种旋转磁电式的采集器，文中讨论了该采集器的工作原理，并对采集器进行实验研究。

2 采集器工作原理

振动能量采集器由支座、转轴、扇形块、磁电换能器等组成，其结构示意图如图1（a）所示，实物图如图1（b）所示。固定在转轴上的两个扇形块由铝扇形块和钢扇形块组合而成，其中铝扇形块用以固定钕铁硼磁铁，钢扇形块作为导磁材料增强磁场，六个长方体的钕铁硼磁铁分别嵌入在两个铝扇形块中，其极性排列如图1（a）所示。在这种极性排列下，三对永磁体会产生一个高梯度的磁场。磁电换能器由Terfenol-D/PZT/Terfenol-D构成，固定在采集器支座上，且以转轴为中心偏离铅垂位置70度固定换能器。当换能器处在扇形块上中间一对磁铁正对的位置时，采集器能够获得更高的电压输出。扇形块在自身的重力和磁力作用下处于静平衡位置，此时切向磁力最小。当扇形块偏离磁电换能器时，切向磁力会增大，这个切向磁力起到回复力的作用，在振动作用下，扇形块可绕静平衡位置来回地摆动。由于空气间隙中的磁场是非均匀磁场，在摆动过程中，磁电换能器将感应到变化的磁场，在变化磁场的作用下，磁致伸缩层产生机械应变，机械应变传递到压电层，产生电能输出，实现了机械能到电能的转换[4]。

实验中采集器的磁铁采用NdFeB磁铁，尺寸为10mm×6mm×5mm，同一扇形块平面上两磁铁中心线之间的夹角为40度，两扇形块之间的间距为14mm，铝扇形块的厚度为5mm，钢扇形块厚度为3mm。磁电换能器中Terfenol-D和PZT尺寸均为12mm×6mm×1mm，其中Terfenol-D磁化方向为长度方向，PZT极化方向为厚度方向。

图1 振动能量采集器图（a）结构示意图，（b）实物图

3 实验结果及讨论

振动能量采集器的实验装置如图2所示，任意波形信号发生器33220A产生一个正弦信号，这个信号经过功率放大器PA-1200放大，放大后的信号驱动振动台ESS-015振动，振动台的振动使采集器产生电输出，其输出电压由数字示波器TBS1002进行测量。振动台加速度的大小由加速度传感器和测振仪YE5932B测量。

图2 采集器实验装置

图3 开路电压输出波形

经过多次试验测试发现：采集器的电输出有明显的倍频特性。在振动加速度0.3g，振动频率17.3Hz时，开路电压输出波形如图3所示。从图3中可看出采集器能实现倍频，可提高采集器的输出功率。

保持加速度为0.5g和1g不变时，采集器输出峰峰电压值随着频率变化的关系曲线如图4所示。从图中可以看出，采集器具有较强的弱非线性特性，该采集器能实现宽频能量采集。

图4 峰峰电压值随频率变化关系曲线，(a)0.5g加速度，（b）1g加速度

根据图4（a）可以看出，保持加速度0.5g不变，在频率缓慢下降过程中，频率约为17.3Hz时，输出电压最大，其最大峰峰电压值达到66.4V。若将峰峰值超过20V的频率带宽作为有效带宽，采集器有效频率带宽为2.7Hz；在频率缓慢上升的过程中，有效频率带宽为1.2Hz，最大峰峰电压值为44.8V，对应频率为18.8Hz。从图4（b）中可以看出，在频率缓慢下降过程中，有效频率带宽为7.3Hz，最大峰峰电压值为108V,对应频率为13.7Hz；在频率缓慢上升过程中，有效频率带宽为3.3Hz，最大峰峰电压值为69.6V，对应频率为17.4Hz。同时也看出：加速度越大，输出峰峰电压值越大，相应的有效频带也更宽；在频率下降过程中测得的最大峰峰电压值和有效带宽都高于上升过程中的电压值和有效带宽。

4 结论

本文针对悬臂梁式振动能量采集器大振幅振动下梁容易断裂的缺点，设计了一种旋转式采集器，该采集器具有宽频特性，同时，具有明显的倍频特性，在低频振动环境中可以提高输出功率。文中描述了它的工作原理并对该采集器进行了实验研究。实验结果表明：在保持加速度0.5g不变时，输出峰峰电压值最高可达66.4V，有效频率带宽约为2.7Hz；在保持加速度为1g不变时,测得输出峰峰电压值最高可达108V，有效频率带宽约为7.3Hz。加速度越大，输出电压峰峰值越大，相应的有效频带也更宽；在频率下降过程中测得的最大电压峰峰值和有效带宽都高于上升过程中的电压值和有效带宽。实验制作的采集器的输出电压和功率不是很高，可在本实验的基础上对磁路进行优化设计，将换能器改成磁致伸缩/压电单晶换能器，可进一步提高采集器的输出电压和功率。本文提出的采集器具有倍频和宽频特性，能在低频振动环境中，输出较高的功率，具有良好的应用前景。

[1]岳喜海,杨进,文玉梅,等.多方向宽频磁电式振动能量采集器[J].仪器仪表学报,2013,34(9):1961-1967.

[2]马华安,刘景全,唐刚,等.一种宽频的磁式压电振动能量采集器[J].传感器与微系统,2011,30(4):66-68.

[3]WANG L,YUAN F G.Vibration energy harvesting by magnetostrictive material[J].Smart Materials and Structures,200 8,17:045009.

[4]代显智,文玉梅,李平,等.采用磁电换能器的振动能量采集器[J].物理学报,2010,59(3):2137-2146.

[5]李平,贾朝波,文玉梅,等.采用磁电自供能的能量储存和电源管理电路研究[J].仪器仪表学报,2010,31(11):2629-2635.

[6]DAI X Z,WEN Y M,LI P,et al.Modeling, characterization and fabrication of vibration energy harvester using Terfenol-D/PZT/Terfenol-D composite transducer[J].Sensors and Actuatros A,Physical,2009,156(2):350-358.

[7]杨进,文玉梅,李平,等.采用复合磁电换能器的宽带振动能量采集器[J].仪器仪表学报,2012,33(12):2863-2869.

[8]卞雷祥,文玉梅,李平.微型传感器自供能技术[J].仪器仪表学报,2006,27(6):297-298.

[9]伍晓明,方华军,林建辉,等.用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁[J].功能材料与器件学报,2008,14(2):467-471.

[10]王佩红,鲁李乐,戴旭涵,等.基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器[J].功能材料与器件学报,2008,14(1):171-174.

[11]李林,郭隐彪,陈旭远.基于微机电系统的振动能量采集器件设计分析[J].机械工程学报,2009,45(9):238-242.

[12]BAYRASHEV A,ROBBINS W P,ZIAIE B.Low frequency wireless powering of microsystems using piezoelectric magnetostrictive laminate composites[J].Sensors and Actuatros A,Physical,2004,114((2-3)):244-249.

[13]HUANG J,O’HANDLEY R C,BONO D.New high-sensitivity hybrid magnetostrictive/electroactive magnetic field sensors [C].Proceedings of SPIE,2003,5050:229-237.

[14]杨帆,文玉梅,李平,等.考虑损耗的磁致/压电层合材料谐振磁电响应分析[J].物理学报,2007,56(6):3539-3545.