基于壓電式能量轉換的微型振動能量采集器在物聯網軌道交通中的應用*

閆澤濤，王學東

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

1 引 言

近年來隨著半導體技術和計算機技術的高速發展，軸溫檢測系統[1]項目，基于鉑金屬溫度傳感器和RFID 技術[2]，已被用來實現地鐵列車軸箱溫度的直接測量和數據上傳。軸溫檢測系統中應用的軸溫檢測裝置包括一個電子標簽和與之連接的溫度探頭。電子標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。軸溫檢測電子標簽在設計上采用高溫鋰亞電池供電。由于鋰電池無法承受軸箱的苛刻振動環境且電池的體積和重量較大，因此電子標簽主體無法通過小型化設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行短暫布線。這種分離設計方案給列車維修作業增加了一定工作量。為了可以在車輛大修時同步安排軸溫檢測電子標簽的更換作業流程，減少日常維護過程中因電池壽命導致的電子標簽更換操作，經論證分析，可采用振動能量采集技術作為軸溫檢測電子標簽的供電方案，去掉占據絕大部分尺寸和重量的電池來實現電子標簽小型化。

2 國內外研究現狀

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

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

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

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

由前期市場調查分析可預計，振動能量采集裝置由于有使用耐久和環保等優點，可能在將來取代電池為各類低功率無源器件供電。然而目前國內外的振動能轉換研究方向大多關注于如何從輕微振動的常規環境中獲取能量，而對于本身就存在強烈振動的軍事、工業等環境中實用化的能量轉換器件卻缺少關注。由此導致雖然目前在振動能量轉換器件領域開展研究的科研院所和企業很多，但市場上卻幾乎沒有工業化銷售的產品。多數技術都處于實驗室階段，或者由于成本、工藝等因素無法規模化生產和應用推廣。

3 傳統方案

傳統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原理[7]，基本結構如圖1所示[8-9]。該結構包含由支撐層（Cu）和上下兩層壓電片（PZT-5A）組成的壓電復合懸臂梁，以及自由端質量塊（Ni）。基座受到外界激勵P(t)作用。自由端質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構示意圖

圖2 質量塊幾何尺寸

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，能夠把振動的機械能轉化為電能。當外部環境提供交變外力作用時，能量采集器就能處在不斷重復充放電的過程中。

4 微型振動能量采集器新設計

微型振動能量采集器是基于壓電式能量轉換來工作的，其結構示意圖如圖3所示，側視圖如圖4所示。

圖3 微型振動能量采集器結構示意圖

圖4 微型振動能量采集器側視圖

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

雙線圈懸梁結構還包括上從下往上依次設置的下電極層、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；磁感應線圈/上電極層覆蓋在質量塊和懸梁臂上并延伸至框狀襯底，磁感應線圈/上電極層覆蓋在質量塊的部分設有磁感應線圈；磁感應線圈端電極引出層與磁感應線圈的端電極連接并通過懸梁臂延伸至框狀襯底，實現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、環境適應性強、能量密度和轉換效率高等特性，為此，進行如下設計：

①振動能量采集器，通過永磁鐵基座和雙線圈懸梁結構實現；

②采集器的電源管理系統，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載。

振動能量采集模塊用于把振動能轉化成電能并輸送至蓄電池進行存儲，包括若干分段鋪設于地鐵軌道下方的微型振動能量采集器；電量監控單元用于監測蓄電池中的電量并根據監測結果向轉換開關傳送指令；轉換開關的輸入端一路為蓄電池，一路為電網電源，其輸出端與負載連接。

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

圖5 動力學振動模型原理圖

該系統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)求二階導數：

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

進行求導，得：

再求導，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生受迫振動，即采集器在外界激勵下進行穩定周期性運動，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，可得：

再求導，可得：

質量塊受到的作用力可表示為：

結合式(8)與式(9)，Z 和 θ 能夠表示為：

有研究表明，當微型振動能量采集器工作在共振狀態下能量轉換效率最高[10]。設計中的兩組并列懸梁臂-質量塊結構，與單組彈簧-質量塊相比，工作頻帶明顯拓寬。其共振頻率的下限為兩組懸梁臂-質量塊中的最低者，上限為兩組懸梁臂-質量塊中的最高者。共振時質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構的影響，設置微型振動能量采集器的外邊框尺寸為12.4mm×12.4mm×0.4mm，內邊框尺寸為10.0mm×10.0mm×0.4mm，質量塊尺寸為 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。

將磁感應線圈設置于質量塊上，在外部環境激勵下質量塊帶動線圈振動；當外部環境有振動時，通過線圈的磁通量發生變化，從而產生感應電動勢。

以此種方式實現能量轉換，有著較高的輸出能量密度。當環境激勵器件振動時，按照正壓電效應，其上下表面產生電勢差；與此同時，質量塊帶動磁感應線圈振動，產生感應電動勢。

5 數據采集、分析與仿真

影響壓電式振動能量采集裝置發電性能的因素除了振動能量采集裝置本身的結構形式、能量收集電路及相關設計參數之外，還有壓電振動能量采集裝置所處的外部環境，因此基于振動頻譜的基本特性來設計懸臂梁的結構，基于采集數據進行數據分析，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別；

3)不同方向上振動分量及能量密度。

以此，建立數學仿真模型，基于實采數據開展仿真分析。在前期實采數據基礎上利用ANSYS 有限元分析軟件對振動能量采集器件進行模擬設計，仿真的結果達到一定的設計期望值。

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.結構的固有頻率，須與振動源的頻率相同；

b.器件的電壓輸出，須達到指標才能存儲直流電；

c.功率輸出，是體現器件價值的核心性能。

固有頻率、電壓輸出、功率輸出與結構參數皆有緊密的關系。器件結構參數主要包括懸臂梁長度、寬度，硅層厚度，PZT 壓電層厚度、質量塊大小等。

壓電懸臂梁振動能量采集器件的轉換功率的大小，與材料特性、結構尺寸、振動位移、振動頻率等因素都有關系。

對壓電懸臂梁結構進行仿真分析，以研究結構尺寸對器件整體狀態的影響。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量塊（如果有）組成，在設計的結構上建立壓電模型。輸入壓電模型需要的介電系數（即介電常數）、壓電矩陣和彈性系數矩陣等材料屬性。

2.模態分析

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

3.諧響應分析

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

可在前期仿真結果的基礎上研制器件驗證樣品，基于振動臺和現場實測，研究器件的輸出電壓、振動效率和輸出功率等影響因素。根據測試結果對器件的壓電材料結構進行優化設計和測試，在器件小型化基礎上綜合輸出電壓、振動效率和輸出功率等因素，實現平衡的優化設計。

6 結 束 語

經過新的設計實現的一種基于壓電式能量轉換地鐵軌道交通的微型振動能量采集器，主要在能量轉換方式和器件結構上做出改進，確保了振動能的持續高效轉換，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。此舉不僅節約了能量，也減少了能量存儲和輸送的成本，并且在實現機械能與電能轉換的同時，可以有效減少地鐵隧道中振動對建筑結構造成的損傷，因此具有極大的現實應用意義和推廣價值。