[发明专利]一种压电双晶片等效电路模型参数提取方法

说明书

本发明公开了一种压电双晶片等效电路模型参数提取方法：将压电双晶片一端固定在振动源上，另一端自由，保持恒定正弦振动加速度幅值a，通过扫频获得不同负载电阻R_L下压电发电机输出电压与振动频率的关系曲线；确定短路谐振频率f_sc、开路谐振频率f_oc、静态电容C_mc、机械品质因数Q_oc、机械品质因数Q_ML、最大功率值P^opt、短路谐振电压V_ML(ω_sc)；计算得到等效电感L_m、等效电容C_m、等效电阻R_m、等效输入应力V_F、压电耦合系数A、静态电容C_mc。本发明可以精确地描述压电双晶片的输出电压特性与负载、环境振动频率和加速度的关系，而且测量所需的电学测量仪器成本较低。

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，更具体的说，是涉及一种压电双晶片等效电路模型参数提取方法。

背景技术

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。这种方式可以采用悬臂梁压电双晶片结构并在悬臂梁压电双晶片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。

在压电双晶片受到外界振动激励时机械能转化为电能的研究过程中，为压电双晶片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双晶片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。现有一些电路参数提取方法依靠测量压电双晶片的振动状态来计算确定参数，所需测量仪器如多普勒激光测振仪价格昂贵。若提出一种简单的电学测量仪器进行参数提取的方法，则可以降低器件建模成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种压电双晶片等效电路模型参数提取方法，通过此方法提取的模型参数可以精确地描述压电双晶片的输出电压特性与负载、环境振动频率和加速度的关系，而且测量所需的电学测量仪器成本较低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的压电双晶片等效电路模型参数提取方法，包括以下步骤：

步骤一，将压电双晶片一端固定在振动源上，另一端自由，保持恒定正弦振动加速度幅值a，通过扫频获得不同负载电阻R_L下压电双晶片输出电压与振动频率的关系曲线；