閆澤濤，王學(xué)東

（1.航天華拓科技有限公司,深圳 518057；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

1 引 言

近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，軸溫檢測系統(tǒng)[1]項目，基于鉑金屬溫度傳感器和RFID 技術(shù)[2]，已被用來實現(xiàn)地鐵列車軸箱溫度的直接測量和數(shù)據(jù)上傳。軸溫檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的軸溫檢測裝置包括一個電子標(biāo)簽和與之連接的溫度探頭。電子標(biāo)簽安裝在地鐵列車車廂軸架上，溫度探頭通過軸箱緊固螺栓固定在軸箱蓋上。軸溫檢測電子標(biāo)簽在設(shè)計上采用高溫鋰亞電池供電。由于鋰電池?zé)o法承受軸箱的苛刻振動環(huán)境且電池的體積和重量較大，因此電子標(biāo)簽主體無法通過小型化設(shè)計直接安裝在軸箱上，而是只能安裝在列車軸架上，同時溫度探頭也需要固定在軸箱上，因此要在軸架和車體上進(jìn)行短暫布線。這種分離設(shè)計方案給列車維修作業(yè)增加了一定工作量。為了可以在車輛大修時同步安排軸溫檢測電子標(biāo)簽的更換作業(yè)流程，減少日常維護(hù)過程中因電池壽命導(dǎo)致的電子標(biāo)簽更換操作，經(jīng)論證分析，可采用振動能量采集技術(shù)作為軸溫檢測電子標(biāo)簽的供電方案，去掉占據(jù)絕大部分尺寸和重量的電池來實現(xiàn)電子標(biāo)簽小型化。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，低功耗無線通信、智能傳感器、射頻識別技術(shù)（RFID）等新技術(shù)迅速興起，正在合力打造一個無處不在的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在國防、工農(nóng)業(yè)、智能家居和醫(yī)療健康等諸多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間。為打破物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)供能瓶頸，提高傳感器節(jié)點的使用壽命，減少其尺寸和維護(hù)工作量，各國開始研究能量采集器件。該類器件能夠從環(huán)境中獲取能量轉(zhuǎn)換為電能。能量采集技術(shù)的本質(zhì)是利用電磁效應(yīng)等原理，從傳感器組件工作環(huán)境中存在的光照、溫度、機械振動或壓力作用中獲取能量。目前太陽能技術(shù)成為最成熟、應(yīng)用最廣泛的環(huán)境能量采集技術(shù)，在很多場景很好地解決了傳感器和無線單元供電問題，但某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景缺少光照，或存在體積限制，導(dǎo)致無法使用太陽能技術(shù)，因此，基于振動等效應(yīng)的能量采集方式成為太陽能技術(shù)有效的替代或補充[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，振動能量采集技術(shù)受到了越來越多科研人員的關(guān)注。半導(dǎo)體器件的小型化和微機電技術(shù)的發(fā)展則促進(jìn)了這一方面的研究。目前振動能量采集器件研究的目的在于提取環(huán)境中的振動能量為小型電子設(shè)備供電，從而能替代或者減少外部電源的使用。該技術(shù)吸引了來自不同學(xué)科和領(lǐng)域的研究者，包括材料、力學(xué)、電子和機械等學(xué)科的研究人員，成為一個跨學(xué)科的研究熱點。

自1996年英國謝菲爾德大學(xué)開展振動能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研究以來，振動能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研究獲得高速發(fā)展。國外南安普頓大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)等諸多科研院所在該領(lǐng)域展開了研究，目前技術(shù)方向主要集中在新型壓電材料、振動機理等方面。

南安普頓大學(xué)研究小組設(shè)計了振動能量采集陣列，可采集頻率在50～300Hz 范圍的振動，電能產(chǎn)生最大達(dá)4mW。UC Berkeley 大學(xué)研究出了體積為lcm3的壓電式能量采集器，可產(chǎn)生120mW 的穩(wěn)定電能[4]。

我國在這一領(lǐng)域展開研究較早，重慶大學(xué)開展了基于MEMS 可變電容器極化的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研究，獲得一定成果。此外哈工大、吉林大學(xué)、南京理工、南京航空航天大學(xué)等高校也在開展新型壓電材料及懸臂梁振動能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究[5-6]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，我國對于振動能量采集器件的研究及產(chǎn)品化的需求已經(jīng)愈發(fā)強烈，例如全軍武器裝備信息采購網(wǎng)在2016年9 月發(fā)布了新型微能源器件的預(yù)言性課題的招標(biāo)，其研究內(nèi)容即包含振動能量采集器件。

由前期市場調(diào)查分析可預(yù)計，振動能量采集裝置由于有使用耐久和環(huán)保等優(yōu)點，可能在將來取代電池為各類低功率無源器件供電。然而目前國內(nèi)外的振動能轉(zhuǎn)換研究方向大多關(guān)注于如何從輕微振動的常規(guī)環(huán)境中獲取能量，而對于本身就存在強烈振動的軍事、工業(yè)等環(huán)境中實用化的能量轉(zhuǎn)換器件卻缺少關(guān)注。由此導(dǎo)致雖然目前在振動能量轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域開展研究的科研院所和企業(yè)很多，但市場上卻幾乎沒有工業(yè)化銷售的產(chǎn)品。多數(shù)技術(shù)都處于實驗室階段，或者由于成本、工藝等因素?zé)o法規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用推廣。

3 傳統(tǒng)方案

傳統(tǒng)的壓電式振動能量采集器主要利用的是壓電材料正壓電效應(yīng)原理[7]，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[8-9]。該結(jié)構(gòu)包含由支撐層（Cu）和上下兩層壓電片（PZT-5A）組成的壓電復(fù)合懸臂梁，以及自由端質(zhì)量塊（Ni）?；艿酵饨缂頟(t)作用。自由端質(zhì)量塊的幾何尺寸如圖2所示。

圖1 壓電式振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 質(zhì)量塊幾何尺寸

它的工作原理是:在振動源P(t)的激勵下，壓電片會有形變，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，能夠把振動的機械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)外部環(huán)境提供交變外力作用時，能量采集器就能處在不斷重復(fù)充放電的過程中。

4 微型振動能量采集器新設(shè)計

微型振動能量采集器是基于壓電式能量轉(zhuǎn)換來工作的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，側(cè)視圖如圖4所示。

圖3 微型振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 微型振動能量采集器側(cè)視圖

它的主體結(jié)構(gòu)包括永磁鐵基座和雙線圈懸梁結(jié)構(gòu)。雙線圈懸梁結(jié)構(gòu)包括兩質(zhì)量塊、四懸梁臂以及設(shè)置在永磁鐵基座上的框狀襯底；兩質(zhì)量塊對稱設(shè)置在框狀襯底中部，每一質(zhì)量塊各自通過懸梁臂與框狀襯底連接。

雙線圈懸梁結(jié)構(gòu)還包括上從下往上依次設(shè)置的下電極層、壓電薄膜層、上電極層、絕緣層和電極引出層。

下電極層、壓電薄膜層和絕緣層覆蓋在懸梁臂上并延伸至框狀襯底的一邊；磁感應(yīng)線圈/上電極層覆蓋在質(zhì)量塊和懸梁臂上并延伸至框狀襯底，磁感應(yīng)線圈/上電極層覆蓋在質(zhì)量塊的部分設(shè)有磁感應(yīng)線圈；磁感應(yīng)線圈端電極引出層與磁感應(yīng)線圈的端電極連接并通過懸梁臂延伸至框狀襯底，實現(xiàn)電磁部分電能的收集。

要在地鐵軌道交通中充分利用地鐵振動能，要求微型振動能量采集器具備輸出電壓高、環(huán)境適應(yīng)性強、能量密度和轉(zhuǎn)換效率高等特性，為此，進(jìn)行如下設(shè)計：

①振動能量采集器，通過永磁鐵基座和雙線圈懸梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；

②采集器的電源管理系統(tǒng)，包括依次連接的能量采集模塊、蓄電池、電源管理模塊以及負(fù)載。

振動能量采集模塊用于把振動能轉(zhuǎn)化成電能并輸送至蓄電池進(jìn)行存儲，包括若干分段鋪設(shè)于地鐵軌道下方的微型振動能量采集器；電量監(jiān)控單元用于監(jiān)測蓄電池中的電量并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果向轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送指令；轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸入端一路為蓄電池，一路為電網(wǎng)電源，其輸出端與負(fù)載連接。

能量采集器利用壓電-電磁復(fù)合式的工作原理，包含兩組懸梁臂-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。如圖5所示為單組彈簧-質(zhì)量塊原理圖。其中，k 為螺旋梁彈性系數(shù)，m 為質(zhì)量塊質(zhì)量，c 為阻尼系數(shù)。

圖5 動力學(xué)振動模型原理圖

該系統(tǒng)所受到外部激勵振動位移為：

式中，X 為永磁鐵基座振動振幅值，ω 為振動圓頻率，t 為時間。

對式(1)求二階導(dǎo)數(shù)：

質(zhì)量塊與永磁鐵基座的相對運動位移為z(t)，假定y(t)為質(zhì)量塊偏離平衡位置的位移，則z(t)表示為：

進(jìn)行求導(dǎo)，得：

再求導(dǎo)，得：

由牛頓定律分析其平衡問題，有：

將式(5)代入公式(6)，有：

將式(2)代入公式(7)，可得到：

能量采集器受到外部周期性機械振動帶動而發(fā)生受迫振動，即采集器在外界激勵下進(jìn)行穩(wěn)定周期性運動，則z(t)可以表示為：

式中，Z 是相對位移振動幅值，θ 是 x(t)與 z(t)間的相位差。

同理，對式(9)求導(dǎo)，可得：

再求導(dǎo)，可得：

質(zhì)量塊受到的作用力可表示為：

結(jié)合式(8)與式(9)，Z 和 θ 能夠表示為：

有研究表明，當(dāng)微型振動能量采集器工作在共振狀態(tài)下能量轉(zhuǎn)換效率最高[10]。設(shè)計中的兩組并列懸梁臂-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，與單組彈簧-質(zhì)量塊相比，工作頻帶明顯拓寬。其共振頻率的下限為兩組懸梁臂-質(zhì)量塊中的最低者，上限為兩組懸梁臂-質(zhì)量塊中的最高者。共振時質(zhì)量塊有最大的振動幅度，壓電模塊輸出最大電能。不考慮電極層和絕緣層對整體結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)置微型振動能量采集器的外邊框尺寸為12.4mm×12.4mm×0.4mm，內(nèi)邊框尺寸為10.0mm×10.0mm×0.4mm，質(zhì)量塊尺寸為 2.2mm×2.2mm×0.3mm，懸臂梁寬度為 500μm，厚度為 40μm，PZT 壓電層厚度為3μm，此時能量輸出功率最大。

將磁感應(yīng)線圈設(shè)置于質(zhì)量塊上，在外部環(huán)境激勵下質(zhì)量塊帶動線圈振動；當(dāng)外部環(huán)境有振動時，通過線圈的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

以此種方式實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，有著較高的輸出能量密度。當(dāng)環(huán)境激勵器件振動時，按照正壓電效應(yīng)，其上下表面產(chǎn)生電勢差；與此同時，質(zhì)量塊帶動磁感應(yīng)線圈振動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

5 數(shù)據(jù)采集、分析與仿真

影響壓電式振動能量采集裝置發(fā)電性能的因素除了振動能量采集裝置本身的結(jié)構(gòu)形式、能量收集電路及相關(guān)設(shè)計參數(shù)之外，還有壓電振動能量采集裝置所處的外部環(huán)境，因此基于振動頻譜的基本特性來設(shè)計懸臂梁的結(jié)構(gòu)，基于采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括：

1)不同行駛速度下振動頻率的變化；

2)不同廠家、型號軸箱的振動頻率區(qū)別；

3)不同方向上振動分量及能量密度。

以此，建立數(shù)學(xué)仿真模型，基于實采數(shù)據(jù)開展仿真分析。在前期實采數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用ANSYS 有限元分析軟件對振動能量采集器件進(jìn)行模擬設(shè)計，仿真的結(jié)果達(dá)到一定的設(shè)計期望值。

如前所述，振動能量采集器件的性能主要從以下幾個方面衡量：

a.結(jié)構(gòu)的固有頻率，須與振動源的頻率相同；

b.器件的電壓輸出，須達(dá)到指標(biāo)才能存儲直流電；

c.功率輸出，是體現(xiàn)器件價值的核心性能。

固有頻率、電壓輸出、功率輸出與結(jié)構(gòu)參數(shù)皆有緊密的關(guān)系。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括懸臂梁長度、寬度，硅層厚度，PZT 壓電層厚度、質(zhì)量塊大小等。

壓電懸臂梁振動能量采集器件的轉(zhuǎn)換功率的大小，與材料特性、結(jié)構(gòu)尺寸、振動位移、振動頻率等因素都有關(guān)系。

對壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，以研究結(jié)構(gòu)尺寸對器件整體狀態(tài)的影響。過程如下：

1.幾何模型的建立

壓電懸臂梁振動能量采集器件的基本構(gòu)成是由支撐層（銅薄片）、壓電PZT 層、上下電極功能層以及懸臂梁端的質(zhì)量塊（如果有）組成，在設(shè)計的結(jié)構(gòu)上建立壓電模型。輸入壓電模型需要的介電系數(shù)（即介電常數(shù)）、壓電矩陣和彈性系數(shù)矩陣等材料屬性。

2.模態(tài)分析

模態(tài)分析（modal analysis）主要在于分析結(jié)構(gòu)的振動特性。結(jié)構(gòu)的振動可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合，每種振型對應(yīng)不同的固有頻率。一階模態(tài)的固有頻率最低，模態(tài)階數(shù)越高頻率就越高，而且彼此間的數(shù)值相差較大。在此選取結(jié)構(gòu)的一階固有頻率來展開研究。

3.諧響應(yīng)分析

壓電懸臂梁設(shè)計為固有頻率與載荷頻率相同。重點研究在外加激勵下結(jié)構(gòu)對不同頻率載荷的響應(yīng)，特別是分析在諧振點的響應(yīng)輸出值。通過諧響應(yīng)分析，可了解不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下發(fā)生諧振時的相應(yīng)壓電電壓等，并評估尺寸因素對結(jié)構(gòu)諧振頻率、電壓、功率的影響。

可在前期仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上研制器件驗證樣品，基于振動臺和現(xiàn)場實測，研究器件的輸出電壓、振動效率和輸出功率等影響因素。根據(jù)測試結(jié)果對器件的壓電材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和測試，在器件小型化基礎(chǔ)上綜合輸出電壓、振動效率和輸出功率等因素，實現(xiàn)平衡的優(yōu)化設(shè)計。

6 結(jié) 束 語

經(jīng)過新的設(shè)計實現(xiàn)的一種基于壓電式能量轉(zhuǎn)換地鐵軌道交通的微型振動能量采集器，主要在能量轉(zhuǎn)換方式和器件結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)，確保了振動能的持續(xù)高效轉(zhuǎn)換，因此解決了因缺乏適用的器件，而在地鐵軌道交通中任由地鐵振動能無謂耗費的問題。此舉不僅節(jié)約了能量，也減少了能量存儲和輸送的成本，并且在實現(xiàn)機械能與電能轉(zhuǎn)換的同時，可以有效減少地鐵隧道中振動對建筑結(jié)構(gòu)造成的損傷，因此具有極大的現(xiàn)實應(yīng)用意義和推廣價值。