低频振动能量收集技术研究进展

张 坤，赵毫杰，冯 伟，武照云，常 永，刘宗尧，刘保国

(1.河南工业大学机电工程学院，河南郑州 450001；2.河南省超硬磨料磨削装备重点实验室，河南郑州 450001)

0 引言

随着微电子技术、无线通信技术以及嵌入式技术的发展，无线传感网络(WSN)[1]被广泛地应用于结构健康监测、智慧城市、设备在线监测、环境监测等领域[2-10]。目前，WSN节点主要依靠化学电池供能来维持其正常运转，但是化学电池存在寿命有限、储能少、需要定期更换或充电等问题，有可能导致WSN节点不能长期、持久稳健工作，甚至会导致整个WSN网络停止运行。因此，为WSN提供持久、可靠的电能是WSN未来发展与应用中亟待解决的一项技术难题。

近年来，能量采集技术[11-12]倍受关注，其能够将环境中的太阳能、风能、热能以及振动能[13-16]转化为电能。在这些能量源中，振动能具有优势，其广泛存在于环境中，如波浪起伏运动、机械运动[17-19]等，而且不受自然环境、地理位置等因素的影响，能持续提供能量。因此，振动能量采集技术有望替代化学电池为无线传感网络节点提供持久的电能。然而，环境中的振动普遍具有低频、随机特征[20]，而绝大数振动能量收集器谐振频率较高，不能与环境振动频率相匹配，导致振动能量采集器收集到的振动能极为有限，难以为无线传感节点提供的充足的电能。为此，高效地收集低频环境振动能成为能量采集领域的研究热点。

本文围绕低频振动能量收集器，介绍了磁力调节法、结构拓展法、非共振法等低频振动能量收集方法的实现方式，其次介绍了通过升频法、非线性法、多模态法等方法实现低频振动能量收集器效率提升的研究现状，分析了目前振动能量收集器所面临的问题，展望其未来发展趋势，为低频振动收集器的研究提供参考。

1 低频振动能量收集器研究现状

目前，针对环境振动频率较低的问题，国内外研究人员主要采用磁力调节法、结构拓展法和非共振法等方法来实现低频振动能量的收集。

1.1 磁力调节法

磁力调节法[21]利用非线性磁力调节系统(或局部)刚度，降低器件的共振频率，实现低频振动能量的收集。Wang等[22]提出一种收集人体低频振动能的磁弹簧式电磁振动能量收集器，如图1所示，采用中间磁铁与固定磁铁之间所形成磁弹簧代替机械弹簧，实现系统刚度的降低，使中间磁铁的振动响应状态与人体运动振动情况相匹配，实现低频振动能量高效收集。

图1 磁弹簧式电磁振动能量收集器

Podder等[23]提出一种FR4梁基电磁式振动能量收集器，如图2所示，通过固定磁铁和梁端部的磁铁相互作用使系统刚度降低。在35 Hz、0.5g振动激励下，该装置能够产生22 μW的输出功率。Zhang等[24]利用竖直抗磁稳定悬浮系统构建了一个低频电磁式振动能量收集器，如图3所示，利用微弱抗磁力、磁力和重力的共同作用降低系统刚度，使该装置能够响应频率低于3 Hz的环境振动能。

图2 FR4梁基电磁式振动能量收集器

图3 抗磁悬浮式电磁振动能量收集器

Lai等[25]提出一种用于收集低频、低幅度振动能的压电式振动能量收集器，如图4所示，通过调节磁铁的相对位置可以使系统拥有多个稳定平衡点，在这些稳定平衡点处的局部刚度通常较弱，从而使其能够充分响应低频环境振动。

图4 磁力辅助式压电振动能量收集器

磁力调节法能够灵活调节系统(或者局部)刚度，使系统共振频率与低频振动相匹配，已成为低频振动能量收集的常用方法，但是器件体积较大，在与无线传感系统集成方面具有一定难度，且由于有永磁体的存在而不适用于电磁环境。

1.2 结构拓展法

结构拓展法[26-27]通过对拾振部件进行结构延展使振动能量收集器工作频率降低，改善能量收集器对低频振动能的收集效果。Liu等[28]将PVDF压电梁进行“回”形螺旋折转，有效地延长悬臂梁长度，实现共振频率的有效降低。该装置能够在0.2g、20 Hz振动激励下输出能够达到0.81 μW/cm3功率。雷轶鸣[29]采用折转弹簧设计了2种不同类型的共振结构用于构建微型电磁式振动能量收集器，如图5所示，实验测得2种电磁振动能量收集器在低于160 Hz振动环境中表现出高效的采集性能。

图5 折转弹簧式电磁振动能量收集器

Zhou等[30]将5个压电梁依次垂直连接构成一个锯齿形压电振动能量收集器，在49.786、29.15、16.248、1.316 Hz等振动激励作用下产生良好的发电性能。Tao等[31]利用3个平行的硅质螺旋梁、驻极体和电极构建了一个微型的静电式振动能量收集器，如图6所示，实验测得其在66 Hz、0.5g的振动激励下能够产生0.34 μW的能量输出。

图6 硅质螺旋梁静电式振动能量收集器

对于低频振动能量的收集，结构拓展法简单有效，但该方法普遍会导致振动能量收集器体积增大，使能量收集器难以集成到无线传感节点中，而如果采用MEMS技术对器件结构进行缩小则有可能导致其他衍生问题，如悬臂梁的疲劳寿命的缩短、尺度效应。

1.3 非共振法

非共振法[32-33]是指振动能量收集器的系统响应与外界振动激励处于非共振状态下所实现的低频振动能量收集方法。Luo等[34]提出一种高效率的超低频惯性旋转式振动能量收集器，如图7所示，利用扭力驱动系统将直线运动转化为磁盘的高速旋转运动，在此基础上借助于电磁感应原理将振动能转变为电能。该装置在0.1 Hz的低频振动激励下能够产生6 mW的输出功率。

图7 超低频惯性旋转式振动能量收集器

Fu等[35]提出一种利用圆柱磁铁的滚动、滑动收集低频环境振动能的能量采集器，能够在0.8 Hz、0.6 m/s2振动激励下产生60 μW的RMS输出功率。Pillatsch等[36]提出一种具有旋转质量块的压电式振动能量收集器，如图8所示，外界振动激励驱动转子转动或者摆动，附在转子上的磁铁与附在压电梁自由端的磁铁相互作用使压电梁产生形变，从而将振动能转化为电能。在20 Hz和20 m/s2振动激励下，该装置将产生43 μW的峰值功率。

图8 具有旋转质量块的压电式振动能量收集器

除了上述方法外，部分研究人员采用液体组建谐振结构[37-38]，获得了良好的低频采集效果。Choi等[39]提出了一种基于液体的静电式能量采集器，如图9所示，导电液体在外界振动激励下发生振荡使电极之间的电容改变，从而使振动能转化电能。Yang等[40]利用导电液滴和薄膜驻极体设计了一种可用于收集低频振动能的能量收集器，如图10所示，通过导电液滴在驻极体薄膜上的滚动能够将动能转化为电能。

图9 导电液体式振动能量采集器

图10 驻极体式静电振动能量收集器

非共振法依赖于独特的结构设计，设计过程较复杂，但是该方法在低频振动收集方面具有明显效果，特别适用于超低频振动环境中，已成为低频振动能量收集的研究热点之一。

2 低频振动能量收集器效率提升方法

环境振动具有低频特性同时还具有随机特性，这一特征意味着振动能量收集器不能时刻处于共振状态，进而导致收集到的能量较少。为此，研究人员提出升频法、非线性法、多模态法等频带拓宽方法来提升低频振动能量采集效率。

2.1 升频法

升频法[41-42]利用器件中的低频振子来感应低频振动，并利用冲击或非接触力激发高频振子的振动，实现低频振动的高效采集。Lu等[43]提出一种MEMS静电式振动能量收集器，如图11所示，利用微型钨球响应环境振动、冲击移动电极使电极间电容改变，将环境振动转换为动能，其工作频率可低至1 Hz。

图11 内含微型钨球的静电式振动能量收集器

Halim等[44]提出了一种可用于收集人体运动(<5 Hz)能量的小型电磁振动能量收集器，如图12所示，利用非磁性金属球冲击堆叠磁铁使磁铁与感应线圈产生相对运动，进而使振动能转化为电能，在俘获人体低频运动方面表现出突出性能。

图12 低频电磁式振动能量收集器

Huang等[45]提出一种基于碰撞的微型压电能量收集系统，通过在悬臂梁自由端配置镍质量块来构建低频悬臂梁，并利低频悬臂梁与高频压电悬臂梁的碰撞来获得向上升频的效果。Gu[46]提出了一种集柔性驱动梁和刚性压电梁于一体的振动能量收集器，如图13所示，利用柔性梁拾取低频振动并通过碰撞激发刚性梁的高频振动，从而将低频振动能转化电能。实验测得在20.1 Hz的振动频率下，该器件平均功率达到1.53 mW。Fakeih等[47]提出一种具有升频作用的压电式振动能量收集器，如图14所示，通过低频悬臂梁感应环境中的低频振动，并利用软磁和磁铁之间的磁吸引力激发高频压电悬臂梁的振动，从而将低频振动能转化为电能。在12.2 Hz、1.0g的振动激励下，该装置产生最大峰值电压16.28 V。对比单压电梁的能量收集器，发现该装置输出功率提高92.56%，工作带宽增加到3 250%。

图13 双边碰撞式压电振动能量收集器

图14 非碰撞升频式压电振动能量收集器

从能量采集效果上来看，升频法在一定程度上实现了低频振动能的高效采集，但是部分研究中存在碰撞现象，碰撞现象的存在将给关键部件带来疲劳失效的风险，影响器件的有效工作寿命。

2.2 非线性法

非线性法主要在振动能量收集器中引入非线性因素(如磁力、非线性材料)来调节系统刚度，使振动系统具有1个、2个或多个稳定状态[48-51]，进而有效拓宽器件的工作频带。

Fan等[52]提出具有单稳态特征的压电式振动能量收集器，如图15所示，通过调整活动磁铁和固定磁铁间的相互作用力来改变系统刚度，使振动能量收集器能够响应小于30 Hz谐波激励，而且当磁铁间距为15 mm时，振动系统表现出弱弹簧特征，幅频响应曲线向左倾斜，进而使器件能够收集更低频率的振动能。

图15 单稳态压电式振动能量收集器

Palagummi等[53]提出了一个基于水平抗磁稳定悬浮系统电磁振动能量收集器，如图16所示，通过调整固定磁铁的排布使系统具有双稳态特征，使其能够收集5.8～8 Hz的低频振动能。Wang等[54]提出一个集磁力非线性和机械分段线性特征于一体的压电式振动能量收集器，结构与图15类似，但其将限位块替换为限位悬臂梁，磁铁间的相互作用改变系统刚度，当限位悬臂梁与压电梁发生碰撞时，系统刚度再次变化，最终使该振动能量收集器具有5个稳定平衡状态，有效地拓宽了系统工作带宽。

图16 双稳态电磁式振动能量收集器

非线性法能够有效地拓宽振动能量收集器的工作带宽，是振动能量收集器研究热点之一。对于多(双)稳态系统来说，激励加速度的强弱也影响着系统的工作特性。在弱激励加速度下，系统振子仅能在某一个平衡点附近振动，其振动频率取决于局部刚度，系统响应特性与单稳态系统相似；而当激励加速度较大时，系统振子可以在多个平衡点之间振动，系统的响应效果取决于多个局部刚度大小。采用非线性法设计振动能量收集器需要考虑具体的使用环境，有针对性地设计振动能量收集器结构。

2.3 多模态法

多模态法[55]是利用结构的多阶模态特性使振动能量收集器能够响应多个频率下振动激励。Caetano等[56]提出一种具有8个扇形叶片的披萨形多模态压电式振动能量采集系统，当激励频率与任一压电叶片的共振频率相匹配时，该压电叶片将振动，从而将振动能转化为电能。Toyabur等[57]提出一种用于收集低频环境振动能的多模态压电-电磁复合式振动能量收集器，如图17所示，主要由4个压电悬臂梁、磁铁和感应线圈组成，当任一压电悬臂梁响应外界振动时，压电单元产生变形将振动能转换为电能，同时压电梁还将带动其端部的磁铁振动，使感应线圈中的磁通量发生变化，进一步将振动能量转换电能。实验测得该装置能够在12～22 Hz频率范围稳定工作，工作频带宽度达到10 Hz。

图17 压电-电磁复合式振动能量收集器

上述多模态振动能量收集器主要采用阵列共振频率不同的结构单元来实现能量收集器工作带宽的拓宽。除此之外，部分研究人员还分析了多自由度[58-59]振动系统的多模态特性，设计出基于多自由度振动系统的能量收集器。Tang等[60]提出一种具有双自由度的静电式振动能量收集器，如图18所示，通过质量块和碰撞块碰撞、接触并使其表面极化而形成带电电容，随着两者间隙的变化，在静电感应作用下将振动能转换为电能。由于主、次梁的存在，能量采集系统具有23、75 Hz的2个共振频率，在0.6g加速度激励作用下，其工作带宽达到32.9 Hz。Fu等[61]基于同样的原理提出了一种碰撞振动式三自由度静电能量收集器。Tao等[62]利用MEMS技术制作了一个两自由度电磁式振动能量收集器，如图19所示，当外界振动激励与外部弹簧或内部弹簧的共振频率一致时，磁铁与感应线圈发生相对运动使线圈中磁通量发生变化，动能转化为电能。在振动加速度为0.12g，激励频率为326 Hz和391 Hz时，输出功率分别为3.6 mV和6.5 mV。

图18 双自由度静电式振动能量收集器

图19 两自由度电磁式振动能量收集器

多模态法可有效地改善低频振动能量收集器的性能，但是需要考虑特定的环境有针对性地设计器件结构。另外，采用该方法所设计的能量收集器体积较大，难以与微传感器集成。

3 低频振动能量收集器存在的问题与发展趋势

环境中普遍存在的振动能、电子元器件功耗的不断下降以及无线传感器的广泛应用使振动能量收集技术拥有广阔的发展前景，但是相关研究尚处于起步阶段，仍有部分理论、实验及工程应用方面的问题亟待解决，特别是以下方面的典型问题。

3.1 低频振动能量收集器的微型化设计与制作

利用振动能量收集器为无线传感节点供电、实现无线传感节点的自供电是研究振动能量收集技术的目的之一。从能量转换效率上来说，部分振动能量收集器足以满足无线传感节点的功耗，但是有些振动能量收集器的体积较大、难以集成到无线传感体系中，需要对振动能量收集器进行微型化设计与制作，这也振动能量收集器发展趋势之一。然而，器件的微型化将导致机械部件强度降低，有可能缩短器件的疲劳寿命，与无线传感节点需要长期稳定电能供应需求相违背。因此，在振动能量收集器的微型化设计过程中应充分考虑体积、寿命等方面问题。

3.2 微能量管理策略及电路设计

低频振动能量收集器所输出的电能多为能量级别低、非稳定的交流电，不能直接应用于无线传感系统中，通常需要对其进行整流、稳压后被应用。为了保证无线传感节点稳定工作需要，对所俘获的能量进行规划、管理及设计相应的能量管理电路，这是振动能量收集器走向工程应用的关键环节，也是振动能量收集技术研究的难点之一。

3.3 多因素作用下的振动能量收集器研究

目前，大多数研究者普遍关注的是振动能量收集器的结构设计与优化，很少考虑能量管理电路对其性能的影响，这不符合工程应用的现实需求。同时，随着对振动能量收集器研究的不断深入，更多的因素被引入到能量收集器中，如新材料、转换机制以及独特结构。这些因素将导致振动能量收集系统更加复杂，影响能量收集器的工作性能。因此，需要开展多因素作用的振动能量收集系统研究，这对改善振动能量收集器的性能具有重要意义，也是未来振动能量收集器的研究方向之一。

4 结论

研究低频振动能量收集器的设计与优化，其目的在于解决无线传感节点等低功耗电子设备自供能问题，摆脱传统化学电池的约束。目前，国内外在该方面已取得了一定的研究进展，然而这些研究绝大数处于实验阶段，距离工程应用还较远。本文简要介绍了低频振动能量收集技术的工作原理及研究趋势，总结了现有的低频振动能量收集实现方法和改善低频振动能量收集器性能的途径，并介绍了现有问题及发展方向，对低频振动能量收集的研究具有借鉴意义。