基于C形悬臂梁的压电能量采集器实现超低频波浪能高效收集

本文提出一种基于C形悬臂梁的压电能量采集器(C-PEH)，通过重力摆与磁力拨动机构的紧凑组合，实现多方向超低频(<1 Hz)波浪能高效采集。该装置在0.8 Hz频率下可输出58.89 mW峰值功率，并能驱动203个LED或无线温湿度计，为海洋传感器节点供电提供新方案。

　　

Highlight

结构设计与工作原理

C-PEH核心由底座、摆锤、转盘、支架、磁铁和C形悬臂梁组成（图1a）。C形悬臂梁包含三个相同尺寸的矩形压电振子（PZT层+铍青铜基板），通过磁力拨动产生大幅变形。转盘上交替排列的磁极可扩大磁力作用范围，摆锤将多向波浪运动转化为转盘旋转，从而激发悬臂梁振动发电。

理论分析

假设波浪运动符合理想正弦曲线μ(λ,t)=Asin(nλ-ωt)，通过建立包含磁耦合力矩和梁变形的动力学方程，推导出系统等效刚度与能量转换关系。仿真显示C形结构比传统悬臂梁降低共振频率达85%，且在<1 Hz激励下应变分布更均匀。

实验设置

搭建波浪模拟平台（图5a），包含线性电机、微步驱动器、示波器等。测试表明：采用N-S磁极排列时，150g摆锤可使输出电压提升217%；在0.8 Hz时，优化后的C-PEH输出功率达9.81 mW(RMS)，频率带宽拓宽至0.5-1.2 Hz。

结构参数影响

磁极排列方式和摆锤质量显著影响输出性能（图6）。NSN-SN磁极组合产生交替磁力梯度，使悬臂梁产生间歇性大幅振动；而150g摆锤能平衡惯性力与回复力，比50g摆锤提高电能输出184%。

结论

C-PEH通过C形悬臂梁结构创新，解决了传统压电能量采集器(P