為了使陶瓷壓電材料於環境振動中造成較大的形變量，因此 我們將其黏貼於楊氏係數高的彈簧鋼片上，並以夾具固定靠近陶瓷壓 電端，驅動震盪器產生出與共振頻率相同即可獲得最佳之能量輸出，
表 10 列出壓電能量擷取器相關參數值。
表 10 壓電能量擷取器相關參數表
) ( )
( )
( )
( )
( t C u t K u t V t F t u
M
E
M 38.82 g C 0.4075 Nm-1s-1 KE 0.651174*106 Nm-1 f0 20.6 Hz
a 0.152 G
Piezoelectric patch1(energy harvested)
Cp 4.565 nF Rm
11.2857 kΩ Cm 96.3412 pF Lm 27.6435 mH l*w*t 26*16.95*0.45 mm3
Piezoelectric patch2(self-powered)
Cp 1.572 nF Rm
3.78431 kΩ Cm 47.1062 pF Lm 15.3396 mH l*w*t 9*16.95*0.45 mm3
Steel beam patch
l*w*t 15.375*3.5*0.05 cm3
標準儲能電路為最簡易且單純之電路即能將電能儲存於電容裡，此電 路沒有複雜且過多的被動元件來消耗由壓電材料產生的輸出能量，圖 42 為標準儲能電路與電感式同步切換電路中對壓電電壓與電流之分 析，發現到此電路的在儲能效率上明顯太低。標準儲能電路之整流前 電壓與儲存於電容間的電壓實驗波形如圖 43 所示。電感式同步切換 電路 SSHI 之一項重要概念為切換瞬間促使壓電電容與電路中之電感 形成迴路產生 LC 共振現象，當 LC 共振發生在開關切換之極短時間 內，則電壓產生反轉之現象與儲存於電容間之電壓如圖 44，切換後 的結果使電壓與電流訊號同相，更可從圖 42 中看出 SSHI 系統純作 正功。然而，儲存於電容之穩態電壓可由方程式(5.1)計算出擷取之能 量。
(a) (b)
圖 42 壓電壓電流波形圖；(a)標準儲能電路(b)電感式同步切換電路
圖 43 標準儲能電路電壓波形圖：整流前電壓訊號(綠線)、電容之誇壓(紅線)
圖 44 電感式同步切換電路電壓波形圖；整流前電壓訊號(綠線)、電容之誇壓(紅 線)
Q V V
e k V
V V
f C V
P
H RECT p p RECT D RECT2
D1 2
2
2
圖 45 和圖 46 為單支與雙支壓電能量擷取系統搭配後端電路的示意圖。
實驗中設計之後端電路包含有電感式同步切換電路、弦波轉方波之開 關控制電路、自供直流電路及整流儲能電路全由 PCB 雕刻電路軟體 KiCad 設計繪出並轉至雕刻電路機 EP2006 實際雕刻出一單面電路板 如圖 47 所示。
(5.1)
圖 45 單支壓電能量擷取器之後端電路分解示意圖
圖 46 雙支壓電能量擷取器之後端電路分解示意圖
圖 47 PCB 雕刻電路板
本論文中因為結合了電磁感應線圈於系統中，也希望達到系 統自供電的目的，所以電感式同步切換電路之開關控制訊號源取自於 線圈之感應電壓訊號，然而，我們也透過不同的線圈來比較其優劣，
圖 48(a)與(b)為不同孔徑大小之感應線圈，孔徑大的線圈感應電壓相 較於孔徑小的線圈，其原因在於當磁鐵上下擺動過程中，孔徑小的線 圈因磁鐵僅能於線圈外部作微幅的擺動，磁力線範圍較大，而通過線 圈圈面的磁力線則較少，則感應電壓訊號小且高頻的雜訊也越趨明顯，
如圖 49(a)和(b)可看出其差異，因此不易作為本文中開關控制訊號 源。
(a) (b)
圖 48 感應線圈：(a)孔徑大(b)孔徑小
(a) (b)
圖 49 線圈感應電壓訊號：(a)孔徑大的線圈雜訊小(b)孔徑小的線圈雜訊大
從本實驗中可以發現到磁鐵的擺放位置並未置放在懸臂樑的自由端，
而是選擇放在靠近懸臂樑固定端，原因在於當文中希望利用開關控制 訊號於壓電電壓訊號極值時切換達到 SSHI 電路的切換效果，那麼線 圈的感應電壓訊號就會有所限制，如工作週期(duty cycle)和相位。若
將磁鐵擺放至懸臂樑自由端，其擺動路徑如圖 50，又磁通量的定義 為磁通密度與磁通量通過面積之內積後的結果，所以此線圈感應電壓 訊號為零發生於磁鐵擺動位移最大時速度為零和點 X 處，因此，圖 51 之實驗結果更可看出感應電壓訊號(藍線)的工作週期不為百分之 五十，其對於本論文在系統自供電中開關控制訊號與電感式同步切換 電路的共同實現上即有一定困難度。
圖 50 懸臂樑擺動過程示意圖
圖 51 線圈感應電壓(藍線)波形圖
在單一模擬振動源的振動下，對於單一懸臂樑而言，只要頻 率操作於共振頻率上即有最大功率的輸出，然而黏有壓電片之懸臂樑 因高品質因子的特性，欲擷取較佳的能量則頻率的操作受到很大的限 制，當然，本論文仍再提出兩支懸臂樑的實驗結果必有其考量的因素，
兩組懸臂樑於振動中皆透過同步切換及整流電路擷取能量，而兩組同 步切換開關就本頇有兩開關控制訊號，再因 4.3 節提到壓電電壓訊號 與感應線圈電壓訊號相位差 90 度，又頻率操作若使兩陶瓷壓電電壓 相位差 180 度如圖 52，一懸臂樑在共振頻率前後相位差達 180 度，
圖 53 中可表現出兩懸臂樑之共振頻率間有反相的效果，因此，只要 一顆感應線圈即可供作兩組同步切換開關電路的驅動訊號。
圖 52 兩陶瓷壓電訊號(黃、藍線)及感應線圈訊號(紅線)波形圖
圖 53 兩懸臂樑共振頻率前後相位比較圖
當懸臂樑於振動過程中，陶瓷壓電能擷取的能量來自於懸臂樑根部所 受的應變應力，而懸臂樑因振動所產生的動能卻無法得到充分的利用 並轉換成可擷取之能量，本實驗則額外加入一感應線圈，並在懸臂樑 自由端置放一強力磁鐵，其擺動過程如圖 50，如此一來，懸臂樑擺 動產生的動能可藉由感應線圈轉換成電能輸出。當懸臂樑自由端擺置 質量塊，可使擺動幅度增加、應變應力增加和共振頻率降低三項特性，
對本實驗於能量擷取的研究皆有正向的幫助，最後表 11 列出本實驗 在 QA 及 QCT 兩種陶瓷壓電材料型號的實驗結果，圖 54 則為兩支黏 有壓電材料之懸臂樑同於一系統架構圖。
表 11 兩陶瓷壓電於同一系統實驗結果
QA Beam1/Beam2
QCT Beam1/Beam2 a 0.1 g 0.1 g u 14.2 mm 14.47 mm C0 3.4/5.135 nF 4.97/3.57 nF fr 19.3/20.6 Hz 20.1/20.1 Hz V(open circuit) 93.3/73 V 51.1/86.8 V PMAX 0.07/0.087 mW 0.05/0.1 mW fo 19.7/19.7 Hz 19/19 Hz PMAX 0.0015/0.092 mW 0.024/0.013 mW Pcoil 1.23 mW 1.915 mW
圖 54 兩陶瓷壓電於同一系統實驗架構圖