【摘 要】
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压电式能量收集技术在解决物联网时代中布置在全球各地、数以万亿级别的无线传感器的自供能问题具有广泛的应用前景。现有的压电式振动能量收集器大部分是采用刚性俘能结构,具有谐振频率高、启动势阱大、振动方向单一等特性,难以有效收集周围环境中普遍存在的超低频、低强度、多方向振动机械能,为此本文创新性的提出了一种以液体作为俘能介质的压电式振动能量收集器。此外,针对当前大多数压电式转动能量收集器在超低速转动激励且
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压电式能量收集技术在解决物联网时代中布置在全球各地、数以万亿级别的无线传感器的自供能问题具有广泛的应用前景。现有的压电式振动能量收集器大部分是采用刚性俘能结构,具有谐振频率高、启动势阱大、振动方向单一等特性,难以有效收集周围环境中普遍存在的超低频、低强度、多方向振动机械能,为此本文创新性的提出了一种以液体作为俘能介质的压电式振动能量收集器。此外,针对当前大多数压电式转动能量收集器在超低速转动激励且需要偏离旋转中心安装的应用场合中存在俘能换能效率低、难以偏心安装等问题,本文提出了一种以液体作为俘能介质的压电式转动能量收集器。为了实现超低频、低强度、多方向振动能量收集,本文提出了一种由圆柱容器、液体、阵列式分布的浮块、绳子以及压电悬臂梁等部件组成的以液体作为俘能介质的压电式振动能量收集器原型,并制备了大尺度原理样机和开展了实验验证:（1）分析了液体在三维直立圆柱体内强迫线性晃动的动力学行为,给出了用液体俘获超低频振动机械能的理论依据;（2）制备了装配单浮块和多浮块的大尺度原理样机,研究了浮块形状、绳子余量、加速度、液体高度等单参数变化以及多参数变化对输出性能的影响,表明了装配浮块数量为三个或者四个的样机可以实现水平面内360°范围内的超低频、低强度振动能量收集;（3）测量了样机的输出功率,在振动激励频率为2.7Hz、加速度为0.03 g的条件下装配单个三角形带挡板浮块样机的峰值输出功率为1.61 mW,有效输出功率为60.98μW,归一化有效功率密度可以达到53.25 μW/（cm3·g2·Hz）;装配三个三角形带挡板浮块样机的峰值输出功率为351.07 μW,有效输出功率为20.56 μW,归一化有效功率密度为17.96 μW/（cm3·g2·Hz）;（4）展示了样机的供能效果,在振动激励频率为2.7 Hz、加速度为0.03 g的条件下装配单个三角形带挡板浮块样机在60 s的时间内可以将33 μF的电容器充到5.24 V,然后用电容器成功点亮了 333个并联的LED灯珠;装配三个三角形带挡板浮块样机在水平面内不同方向振动激励下,在60 s的时间内给33 μF电容器充电的效果相差不大。针对超低速转动能量收集器需要偏心安装的实际应用需求,本文提出了一种由空心圆柱体、液体、阻流板以及压电悬臂梁组成的压电式转动能量收集器,并制备了大尺度原理样机和开展了实验验证:（1）分析了空心圆柱体内液体在偏心转动过程中的力学平衡条件,明确了器件的工作原理;（2）制备了装配不同阻流板结构的大尺度原理样机,实验研究了阻流板、偏心安装距离、液体高度、转速等参数对器件输出性能的影响,得到了装配矩形槽阻流板的大尺度原理样机的优化方案;（3）测量了样机的输出功率,在偏心距离为120 mm,转速为75 rpm的条件下测得样机峰峰值输出功率为13.90 mW,峰值输出功率为4.90mW,有效输出功率为140.90 μW,峰值功率密度为10.81 μW/cm3,有效功率密度为0.309μW/cm3;（4）展示了样机在实际应用环境下供能效果,将样机偏离旋转中心120mm安装在汽车轮毂侧面,在校园内部道路（15～20km/h,平均车速17.5 km/h）近似匀速行驶30分钟左右能够在能量管理电路存储36.00mJ的能量,可供具有蓝牙传输信号功能的无线温湿度传感器工作5分钟20秒左右,累计发送38次数据信号;在上下班高峰期拥堵道路（0～50 km/h,平均车速18.4 km/h）非匀速行驶27分钟左右可以在能量管理电路存储28.50 mJ的能量。
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