低頻振動能量收集技術研究進展

張 坤，趙毫杰，馮 偉，武照云，常 永，劉宗堯，劉保國

(1.河南工業(yè)大學機電工程學院，河南鄭州 450001；2.河南省超硬磨料磨削裝備重點實驗室，河南鄭州 450001)

0 引言

隨著微電子技術、無線通信技術以及嵌入式技術的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(WSN)[1]被廣泛地應用于結構健康監(jiān)測、智慧城市、設備在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領域[2-10]。目前，WSN節(jié)點主要依靠化學電池供能來維持其正常運轉，但是化學電池存在壽命有限、儲能少、需要定期更換或充電等問題，有可能導致WSN節(jié)點不能長期、持久穩(wěn)健工作，甚至會導致整個WSN網(wǎng)絡停止運行。因此，為WSN提供持久、可靠的電能是WSN未來發(fā)展與應用中亟待解決的一項技術難題。

近年來，能量采集技術[11-12]倍受關注，其能夠?qū)h(huán)境中的太陽能、風能、熱能以及振動能[13-16]轉化為電能。在這些能量源中，振動能具有優(yōu)勢，其廣泛存在于環(huán)境中，如波浪起伏運動、機械運動[17-19]等，而且不受自然環(huán)境、地理位置等因素的影響，能持續(xù)提供能量。因此，振動能量采集技術有望替代化學電池為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點提供持久的電能。然而，環(huán)境中的振動普遍具有低頻、隨機特征[20]，而絕大數(shù)振動能量收集器諧振頻率較高，不能與環(huán)境振動頻率相匹配，導致振動能量采集器收集到的振動能極為有限，難以為無線傳感節(jié)點提供的充足的電能。為此，高效地收集低頻環(huán)境振動能成為能量采集領域的研究熱點。

本文圍繞低頻振動能量收集器，介紹了磁力調(diào)節(jié)法、結構拓展法、非共振法等低頻振動能量收集方法的實現(xiàn)方式，其次介紹了通過升頻法、非線性法、多模態(tài)法等方法實現(xiàn)低頻振動能量收集器效率提升的研究現(xiàn)狀，分析了目前振動能量收集器所面臨的問題，展望其未來發(fā)展趨勢，為低頻振動收集器的研究提供參考。

1 低頻振動能量收集器研究現(xiàn)狀

目前，針對環(huán)境振動頻率較低的問題，國內(nèi)外研究人員主要采用磁力調(diào)節(jié)法、結構拓展法和非共振法等方法來實現(xiàn)低頻振動能量的收集。

1.1 磁力調(diào)節(jié)法

磁力調(diào)節(jié)法[21]利用非線性磁力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(或局部)剛度，降低器件的共振頻率，實現(xiàn)低頻振動能量的收集。Wang等[22]提出一種收集人體低頻振動能的磁彈簧式電磁振動能量收集器，如圖1所示，采用中間磁鐵與固定磁鐵之間所形成磁彈簧代替機械彈簧，實現(xiàn)系統(tǒng)剛度的降低，使中間磁鐵的振動響應狀態(tài)與人體運動振動情況相匹配，實現(xiàn)低頻振動能量高效收集。

圖1 磁彈簧式電磁振動能量收集器

Podder等[23]提出一種FR4梁基電磁式振動能量收集器，如圖2所示，通過固定磁鐵和梁端部的磁鐵相互作用使系統(tǒng)剛度降低。在35 Hz、0.5g振動激勵下，該裝置能夠產(chǎn)生22 μW的輸出功率。Zhang等[24]利用豎直抗磁穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)構建了一個低頻電磁式振動能量收集器，如圖3所示，利用微弱抗磁力、磁力和重力的共同作用降低系統(tǒng)剛度，使該裝置能夠響應頻率低于3 Hz的環(huán)境振動能。

圖2 FR4梁基電磁式振動能量收集器

圖3 抗磁懸浮式電磁振動能量收集器

Lai等[25]提出一種用于收集低頻、低幅度振動能的壓電式振動能量收集器，如圖4所示，通過調(diào)節(jié)磁鐵的相對位置可以使系統(tǒng)擁有多個穩(wěn)定平衡點，在這些穩(wěn)定平衡點處的局部剛度通常較弱，從而使其能夠充分響應低頻環(huán)境振動。

圖4 磁力輔助式壓電振動能量收集器

磁力調(diào)節(jié)法能夠靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)(或者局部)剛度，使系統(tǒng)共振頻率與低頻振動相匹配，已成為低頻振動能量收集的常用方法，但是器件體積較大，在與無線傳感系統(tǒng)集成方面具有一定難度，且由于有永磁體的存在而不適用于電磁環(huán)境。

1.2 結構拓展法

結構拓展法[26-27]通過對拾振部件進行結構延展使振動能量收集器工作頻率降低，改善能量收集器對低頻振動能的收集效果。Liu等[28]將PVDF壓電梁進行“回”形螺旋折轉，有效地延長懸臂梁長度，實現(xiàn)共振頻率的有效降低。該裝置能夠在0.2g、20 Hz振動激勵下輸出能夠達到0.81 μW/cm3功率。雷軼鳴[29]采用折轉彈簧設計了2種不同類型的共振結構用于構建微型電磁式振動能量收集器，如圖5所示，實驗測得2種電磁振動能量收集器在低于160 Hz振動環(huán)境中表現(xiàn)出高效的采集性能。

圖5 折轉彈簧式電磁振動能量收集器

Zhou等[30]將5個壓電梁依次垂直連接構成一個鋸齒形壓電振動能量收集器，在49.786、29.15、16.248、1.316 Hz等振動激勵作用下產(chǎn)生良好的發(fā)電性能。Tao等[31]利用3個平行的硅質(zhì)螺旋梁、駐極體和電極構建了一個微型的靜電式振動能量收集器，如圖6所示，實驗測得其在66 Hz、0.5g的振動激勵下能夠產(chǎn)生0.34 μW的能量輸出。

圖6 硅質(zhì)螺旋梁靜電式振動能量收集器

對于低頻振動能量的收集，結構拓展法簡單有效，但該方法普遍會導致振動能量收集器體積增大，使能量收集器難以集成到無線傳感節(jié)點中，而如果采用MEMS技術對器件結構進行縮小則有可能導致其他衍生問題，如懸臂梁的疲勞壽命的縮短、尺度效應。

1.3 非共振法

非共振法[32-33]是指振動能量收集器的系統(tǒng)響應與外界振動激勵處于非共振狀態(tài)下所實現(xiàn)的低頻振動能量收集方法。Luo等[34]提出一種高效率的超低頻慣性旋轉式振動能量收集器，如圖7所示，利用扭力驅(qū)動系統(tǒng)將直線運動轉化為磁盤的高速旋轉運動，在此基礎上借助于電磁感應原理將振動能轉變?yōu)殡娔?。該裝置在0.1 Hz的低頻振動激勵下能夠產(chǎn)生6 mW的輸出功率。

圖7 超低頻慣性旋轉式振動能量收集器

Fu等[35]提出一種利用圓柱磁鐵的滾動、滑動收集低頻環(huán)境振動能的能量采集器，能夠在0.8 Hz、0.6 m/s2振動激勵下產(chǎn)生60 μW的RMS輸出功率。Pillatsch等[36]提出一種具有旋轉質(zhì)量塊的壓電式振動能量收集器，如圖8所示，外界振動激勵驅(qū)動轉子轉動或者擺動，附在轉子上的磁鐵與附在壓電梁自由端的磁鐵相互作用使壓電梁產(chǎn)生形變，從而將振動能轉化為電能。在20 Hz和20 m/s2振動激勵下，該裝置將產(chǎn)生43 μW的峰值功率。

圖8 具有旋轉質(zhì)量塊的壓電式振動能量收集器

除了上述方法外，部分研究人員采用液體組建諧振結構[37-38]，獲得了良好的低頻采集效果。Choi等[39]提出了一種基于液體的靜電式能量采集器，如圖9所示，導電液體在外界振動激勵下發(fā)生振蕩使電極之間的電容改變，從而使振動能轉化電能。Yang等[40]利用導電液滴和薄膜駐極體設計了一種可用于收集低頻振動能的能量收集器，如圖10所示，通過導電液滴在駐極體薄膜上的滾動能夠?qū)幽苻D化為電能。

圖9 導電液體式振動能量采集器

圖10 駐極體式靜電振動能量收集器

非共振法依賴于獨特的結構設計，設計過程較復雜，但是該方法在低頻振動收集方面具有明顯效果，特別適用于超低頻振動環(huán)境中，已成為低頻振動能量收集的研究熱點之一。

2 低頻振動能量收集器效率提升方法

環(huán)境振動具有低頻特性同時還具有隨機特性，這一特征意味著振動能量收集器不能時刻處于共振狀態(tài)，進而導致收集到的能量較少。為此，研究人員提出升頻法、非線性法、多模態(tài)法等頻帶拓寬方法來提升低頻振動能量采集效率。

2.1 升頻法

升頻法[41-42]利用器件中的低頻振子來感應低頻振動，并利用沖擊或非接觸力激發(fā)高頻振子的振動，實現(xiàn)低頻振動的高效采集。Lu等[43]提出一種MEMS靜電式振動能量收集器，如圖11所示，利用微型鎢球響應環(huán)境振動、沖擊移動電極使電極間電容改變，將環(huán)境振動轉換為動能，其工作頻率可低至1 Hz。

圖11 內(nèi)含微型鎢球的靜電式振動能量收集器

Halim等[44]提出了一種可用于收集人體運動(<5 Hz)能量的小型電磁振動能量收集器，如圖12所示，利用非磁性金屬球沖擊堆疊磁鐵使磁鐵與感應線圈產(chǎn)生相對運動，進而使振動能轉化為電能，在俘獲人體低頻運動方面表現(xiàn)出突出性能。

圖12 低頻電磁式振動能量收集器

Huang等[45]提出一種基于碰撞的微型壓電能量收集系統(tǒng)，通過在懸臂梁自由端配置鎳質(zhì)量塊來構建低頻懸臂梁，并利低頻懸臂梁與高頻壓電懸臂梁的碰撞來獲得向上升頻的效果。Gu[46]提出了一種集柔性驅(qū)動梁和剛性壓電梁于一體的振動能量收集器，如圖13所示，利用柔性梁拾取低頻振動并通過碰撞激發(fā)剛性梁的高頻振動，從而將低頻振動能轉化電能。實驗測得在20.1 Hz的振動頻率下，該器件平均功率達到1.53 mW。Fakeih等[47]提出一種具有升頻作用的壓電式振動能量收集器，如圖14所示，通過低頻懸臂梁感應環(huán)境中的低頻振動，并利用軟磁和磁鐵之間的磁吸引力激發(fā)高頻壓電懸臂梁的振動，從而將低頻振動能轉化為電能。在12.2 Hz、1.0g的振動激勵下，該裝置產(chǎn)生最大峰值電壓16.28 V。對比單壓電梁的能量收集器，發(fā)現(xiàn)該裝置輸出功率提高92.56%，工作帶寬增加到3 250%。

圖13 雙邊碰撞式壓電振動能量收集器

圖14 非碰撞升頻式壓電振動能量收集器

從能量采集效果上來看，升頻法在一定程度上實現(xiàn)了低頻振動能的高效采集，但是部分研究中存在碰撞現(xiàn)象，碰撞現(xiàn)象的存在將給關鍵部件帶來疲勞失效的風險，影響器件的有效工作壽命。

2.2 非線性法

非線性法主要在振動能量收集器中引入非線性因素(如磁力、非線性材料)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度，使振動系統(tǒng)具有1個、2個或多個穩(wěn)定狀態(tài)[48-51]，進而有效拓寬器件的工作頻帶。

Fan等[52]提出具有單穩(wěn)態(tài)特征的壓電式振動能量收集器，如圖15所示，通過調(diào)整活動磁鐵和固定磁鐵間的相互作用力來改變系統(tǒng)剛度，使振動能量收集器能夠響應小于30 Hz諧波激勵，而且當磁鐵間距為15 mm時，振動系統(tǒng)表現(xiàn)出弱彈簧特征，幅頻響應曲線向左傾斜，進而使器件能夠收集更低頻率的振動能。

圖15 單穩(wěn)態(tài)壓電式振動能量收集器

Palagummi等[53]提出了一個基于水平抗磁穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)電磁振動能量收集器，如圖16所示，通過調(diào)整固定磁鐵的排布使系統(tǒng)具有雙穩(wěn)態(tài)特征，使其能夠收集5.8～8 Hz的低頻振動能。Wang等[54]提出一個集磁力非線性和機械分段線性特征于一體的壓電式振動能量收集器，結構與圖15類似，但其將限位塊替換為限位懸臂梁，磁鐵間的相互作用改變系統(tǒng)剛度，當限位懸臂梁與壓電梁發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)剛度再次變化，最終使該振動能量收集器具有5個穩(wěn)定平衡狀態(tài)，有效地拓寬了系統(tǒng)工作帶寬。

圖16 雙穩(wěn)態(tài)電磁式振動能量收集器

非線性法能夠有效地拓寬振動能量收集器的工作帶寬，是振動能量收集器研究熱點之一。對于多(雙)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)來說，激勵加速度的強弱也影響著系統(tǒng)的工作特性。在弱激勵加速度下，系統(tǒng)振子僅能在某一個平衡點附近振動，其振動頻率取決于局部剛度，系統(tǒng)響應特性與單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)相似；而當激勵加速度較大時，系統(tǒng)振子可以在多個平衡點之間振動，系統(tǒng)的響應效果取決于多個局部剛度大小。采用非線性法設計振動能量收集器需要考慮具體的使用環(huán)境，有針對性地設計振動能量收集器結構。

2.3 多模態(tài)法

多模態(tài)法[55]是利用結構的多階模態(tài)特性使振動能量收集器能夠響應多個頻率下振動激勵。Caetano等[56]提出一種具有8個扇形葉片的披薩形多模態(tài)壓電式振動能量采集系統(tǒng)，當激勵頻率與任一壓電葉片的共振頻率相匹配時，該壓電葉片將振動，從而將振動能轉化為電能。Toyabur等[57]提出一種用于收集低頻環(huán)境振動能的多模態(tài)壓電-電磁復合式振動能量收集器，如圖17所示，主要由4個壓電懸臂梁、磁鐵和感應線圈組成，當任一壓電懸臂梁響應外界振動時，壓電單元產(chǎn)生變形將振動能轉換為電能，同時壓電梁還將帶動其端部的磁鐵振動，使感應線圈中的磁通量發(fā)生變化，進一步將振動能量轉換電能。實驗測得該裝置能夠在12～22 Hz頻率范圍穩(wěn)定工作，工作頻帶寬度達到10 Hz。

圖17 壓電-電磁復合式振動能量收集器

上述多模態(tài)振動能量收集器主要采用陣列共振頻率不同的結構單元來實現(xiàn)能量收集器工作帶寬的拓寬。除此之外，部分研究人員還分析了多自由度[58-59]振動系統(tǒng)的多模態(tài)特性，設計出基于多自由度振動系統(tǒng)的能量收集器。Tang等[60]提出一種具有雙自由度的靜電式振動能量收集器，如圖18所示，通過質(zhì)量塊和碰撞塊碰撞、接觸并使其表面極化而形成帶電電容，隨著兩者間隙的變化，在靜電感應作用下將振動能轉換為電能。由于主、次梁的存在，能量采集系統(tǒng)具有23、75 Hz的2個共振頻率，在0.6g加速度激勵作用下，其工作帶寬達到32.9 Hz。Fu等[61]基于同樣的原理提出了一種碰撞振動式三自由度靜電能量收集器。Tao等[62]利用MEMS技術制作了一個兩自由度電磁式振動能量收集器，如圖19所示，當外界振動激勵與外部彈簧或內(nèi)部彈簧的共振頻率一致時，磁鐵與感應線圈發(fā)生相對運動使線圈中磁通量發(fā)生變化，動能轉化為電能。在振動加速度為0.12g，激勵頻率為326 Hz和391 Hz時，輸出功率分別為3.6 mV和6.5 mV。

圖18 雙自由度靜電式振動能量收集器

圖19 兩自由度電磁式振動能量收集器

多模態(tài)法可有效地改善低頻振動能量收集器的性能，但是需要考慮特定的環(huán)境有針對性地設計器件結構。另外，采用該方法所設計的能量收集器體積較大，難以與微傳感器集成。

3 低頻振動能量收集器存在的問題與發(fā)展趨勢

環(huán)境中普遍存在的振動能、電子元器件功耗的不斷下降以及無線傳感器的廣泛應用使振動能量收集技術擁有廣闊的發(fā)展前景，但是相關研究尚處于起步階段，仍有部分理論、實驗及工程應用方面的問題亟待解決，特別是以下方面的典型問題。

3.1 低頻振動能量收集器的微型化設計與制作

利用振動能量收集器為無線傳感節(jié)點供電、實現(xiàn)無線傳感節(jié)點的自供電是研究振動能量收集技術的目的之一。從能量轉換效率上來說，部分振動能量收集器足以滿足無線傳感節(jié)點的功耗，但是有些振動能量收集器的體積較大、難以集成到無線傳感體系中，需要對振動能量收集器進行微型化設計與制作，這也振動能量收集器發(fā)展趨勢之一。然而，器件的微型化將導致機械部件強度降低，有可能縮短器件的疲勞壽命，與無線傳感節(jié)點需要長期穩(wěn)定電能供應需求相違背。因此，在振動能量收集器的微型化設計過程中應充分考慮體積、壽命等方面問題。

3.2 微能量管理策略及電路設計

低頻振動能量收集器所輸出的電能多為能量級別低、非穩(wěn)定的交流電，不能直接應用于無線傳感系統(tǒng)中，通常需要對其進行整流、穩(wěn)壓后被應用。為了保證無線傳感節(jié)點穩(wěn)定工作需要，對所俘獲的能量進行規(guī)劃、管理及設計相應的能量管理電路，這是振動能量收集器走向工程應用的關鍵環(huán)節(jié)，也是振動能量收集技術研究的難點之一。

3.3 多因素作用下的振動能量收集器研究

目前，大多數(shù)研究者普遍關注的是振動能量收集器的結構設計與優(yōu)化，很少考慮能量管理電路對其性能的影響，這不符合工程應用的現(xiàn)實需求。同時，隨著對振動能量收集器研究的不斷深入，更多的因素被引入到能量收集器中，如新材料、轉換機制以及獨特結構。這些因素將導致振動能量收集系統(tǒng)更加復雜，影響能量收集器的工作性能。因此，需要開展多因素作用的振動能量收集系統(tǒng)研究，這對改善振動能量收集器的性能具有重要意義，也是未來振動能量收集器的研究方向之一。

4 結論

研究低頻振動能量收集器的設計與優(yōu)化，其目的在于解決無線傳感節(jié)點等低功耗電子設備自供能問題，擺脫傳統(tǒng)化學電池的約束。目前，國內(nèi)外在該方面已取得了一定的研究進展，然而這些研究絕大數(shù)處于實驗階段，距離工程應用還較遠。本文簡要介紹了低頻振動能量收集技術的工作原理及研究趨勢，總結了現(xiàn)有的低頻振動能量收集實現(xiàn)方法和改善低頻振動能量收集器性能的途徑，并介紹了現(xiàn)有問題及發(fā)展方向，對低頻振動能量收集的研究具有借鑒意義。