基于L型锤式防振器启发的多频段双梁耦合振动压电能量采集器设计与性能研究

为解决无线传感器网络(WSN)和物联网(IoT)设备在输电线路监测中的供能难题，中国科学院研究人员受L型锤式Stockbridge防振器启发，创新设计多频段双梁耦合振动压电能量采集器(DB-CPEH)。通过有限元分析和实验验证，发现梁间距(D=38 mm)、长度比(Lr=0.54)和附加质量(M2=3 g)可调控二阶振动模式，使弹性支撑梁(ESB)和浮动悬臂梁(FCB)在一阶共振时分别实现16.967 mW/cm3和1.767 mW/cm3的功率密度，为环境监测设备提供稳定能源。

　　

在现代电力系统中，输电线路的实时监测对保障电网安全至关重要。然而，部署在偏远地区的无线传感器节点面临供电难题——传统电池更换成本高昂，而输电线路在风荷载下产生的微风振动（aeolian vibration）蕴含丰富机械能。如何高效捕获这种低频（0.5-10 m/s风速对应）随机振动能量，成为能源采集领域的研究热点。现有压电能量采集器(Piezoelectric Energy Harvester, PEH)普遍存在工作频带窄、输出稳定性差等缺陷，虽通过多模态谐振、磁耦合非线性等改进策略有所突破，但往往以牺牲功率密度为代价。

针对这一技术瓶颈，中国科学院团队从高压输电线路的L型锤式Stockbridge防振器中获得灵感，在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》发表创新研究成果。该工作设计出双梁耦合振动压电能量采集器(Dual-beam Coupled Piezoelectric Energy Harvester, DB-CPEH)，通过独特的弹性耦合结构实现四频段能量捕获，在保持高功率输出的同时显著拓宽工作带宽。

研究采用有限元模态分析、参数化实验验证相结合的技术路线。通过控制变量法系统考察梁间距D、长度比L_r和附加质量M₂等关键参数对振动特性的影响，并搭建包含振动激励器、数据采集系统的实验平台，模拟实际输电线路的振动环境。

结构设计和工作原理
DB-CPEH核心由两个平行压电梁构成创新性耦合结构：一个梁根部固定于另一梁自由端，形成弹性支撑梁(ESB)与浮动悬臂梁(FCB)的动力学耦合。这种设计突破传统阵列式采集器单梁主导输出的局限，使双梁在共振时同步产生峰值电压。

压电振荡器的模态分析
有限元模拟揭示参数敏感阈值：当D=38 mm时，二阶振动模式发生跃变；L_r=0.54和M₂=3 g构成模式转换临界点。特别值得注意的是，特定L_r和M₂组合可使FCB在一阶共振时输出提升6.3倍。

实验结果与讨论
在基准条件下，ESB和FCB的一阶共振功率密度分别达16.967 mW/cm³和1.767 mW/cm³，二阶共振时则呈现4.45 mW/cm³与11.20 mW/cm³的互补特性。对比实验证实，耦合结构使工作带宽较传统阵列式采集器扩展93.3%，且不受相邻振荡器干扰。

该研究通过仿生设计与多物理场耦合创新，实现三个重要突破：首次将防振器结构反用于能量采集领域；建立双梁参数-模态响应的定量关系；验证多向振动能量回收可行性。研究成果为输电线路监测设备提供免维护电源解决方案，其设计方法论可推广至桥梁健康监测、海洋浮标等低频振动能量回收场景。正如通讯作者Xiaobiao Shan强调的，这种弹性耦合机制为开发宽频带-高功率密度协同的下一代能量采集器开辟了新途径。