[发明专利]一种宽频带压电能量俘获系统的非线性建模方法

说明书

技术领域

本发明属于压电振动能量发电技术领域，具体涉及一种宽频带压电能量俘获系统的非线性建模方法。

背景技术

近十几年来，电子技术、微型机电技术、传感器技术等得到了快速发展，越来越多的低功耗型无线传感器被应用到各种结构、设备或环境中。目前，这类传感器大多使用传统的不可充电的电池进行供电。然而，对该类传感器更换电池非常困难，特别是镶嵌在高山、轨道、桥梁、大型机械、建筑物等的内部的传感器，其供电的电池更换任务代价非常高。另外，当前传感器使用的电池不仅能量和寿命有限，而且使用完也存在环境污染等问题。如果能够俘获周围环境中的能量，就可以用来替代电池或者对电池进行充电。通常把利用周围环境中能量获取并转化为可利用能量的过程叫做能量俘获，能量俘获技术具有巨大的应用前景，因此受到了工程界和科学家的高度关注和深入研究。目前，能量俘获技术的种类很多，有太阳能发电、风能发电、温差发电、RF发电、人体发电、大气压差发电和振动发电等技术。

相比于其他能量源，振动能量相对稳定且广泛存在，不仅日常生活中的桥梁、车辆、工厂、路面等都存在大量的振动能量，而且家庭中也存在着各种振动能量源。振动能量俘获的方法有电磁、静电、压电等三种。其中，电磁装置产生的电压很低，幅值一般小于1V；静电俘获方法需要一个独立的电压源；压电振动能量俘获电压幅值高且无须外接电源，同时具有比电磁和静电两种方法更高的实际能量密度，因此是振动能量俘获中最为有效方法，非常适合为无线传感器供电等。

在压电振动能量俘获领域，悬臂梁式压电能量俘获系统具有能量密度高、装置简单、易于实现等优点，是最受关注的压电能量俘获系统之一。然而，传统的线性悬臂梁式压电能量俘获系统的有效频带过窄，与周围环境振动频率匹配差，俘获的能量严重受限于周围环境的振动频率，因而俘获能量的效率较低，很多情况下并不能满足实际需求。为了解决上述问题，目前主要有基于机械原理和引入磁场因素两大类方法来提高压电能量俘获系统的有效频带，但这两种方法都将传统的线性压电能量俘获系统调节为非线性的宽频带压电能量俘获系统。后者的精确建模非常困难，原因之一在于系统的非线性回复力模型的获得比较复杂。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种宽频带压电能量俘获系统的非线性建模方法，能够准确预测其非线性输出特性的模型，获得比较简单。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种宽频带压电能量俘获系统的非线性建模方法，包括以下步骤：

1）使用力测量仪器直接测量宽频带压电能量俘获系统中的非线性回复力，所述宽频带压电能量俘获系统包括基于机械原理的悬臂梁式非线性压电能量俘获系统和磁耦合的悬臂梁式非线性压电能量俘获系统；

2）采用多项式方程拟合系统中的非线性回复力数据，得到非线性回复力的表达式及表达式中的参数值；

3）根据哈密顿原理、压电理论、Rayleigh-Ritz原理、欧拉-伯努利梁理论、电场常值分布理论和Rayleigh阻尼定理，推导得到宽频带压电能量俘获系统的非线性动力学模型表达式和模型中的参数值。

步骤3）的具体推导过程为：

当压电悬臂梁的力学边界条件为夹持、电学边界条件为短路，符合第2类压电方程，其表达式为：

T=cES-etED=eS+ϵSE---(2)]]>