張旭輝，譚厚志，楊文娟，左 萌，樊紅衛(wèi)

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710054；2. 陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)已在環(huán)境監(jiān)測[1-2]、航空[3-4]、汽車[5-6]、物聯(lián)網(wǎng)[7-8]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，大多數(shù)傳感器以電池供電為主，而傳統(tǒng)化學(xué)電池存在使用壽命有限，體積大，更換難，性能受環(huán)境影響嚴(yán)重等問題，故而尋找其替代品至關(guān)重要。自然環(huán)境中存在著太陽能、熱能、振動(dòng)能等多種能量形式，太陽能、熱能等由于對(duì)自然環(huán)境的依賴性較大，在某些場合無法使用，振動(dòng)能由于普遍存在且能量密度高而具有極大的優(yōu)越性。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理不同，振動(dòng)能量收集方式主要有靜電式[9-11]、電磁式[12-15]和壓電式[16-30]3大類。與其他兩種振動(dòng)能量收集方式相比，壓電式能量收集具有供能充足，受環(huán)境影響小，無污染和易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，并因能滿足低能耗產(chǎn)品的電能需求而成為目前研究的熱點(diǎn)之一[31]。

研究表明，當(dāng)外界振動(dòng)頻率與壓電俘能器諧振頻率相匹配時(shí)，俘能效率最高。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)不同場合的振動(dòng)方向和頻率往往不同，且同一場合振動(dòng)頻率和方向也時(shí)有變化，這將嚴(yán)重影響壓電俘能器的俘能效率。故使壓電俘能器對(duì)多個(gè)方向上的振動(dòng)能量進(jìn)行收集是提高其俘能效率的一種重要途徑。

1 多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置現(xiàn)狀

壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究最早始于2000年左右，國內(nèi)外很多高校和研究機(jī)構(gòu)都在此方面取得了相應(yīng)進(jìn)展。依據(jù)壓電振動(dòng)能量收集裝置的能量轉(zhuǎn)換原理不同，可將其主要分為擊打式和懸臂梁式。

1.1 擊打式多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置

擊打式壓電振動(dòng)能量收集裝置的壓電材料為壓電陶瓷。壓電陶瓷的特點(diǎn)是[32-33]：壓電性強(qiáng)，介電常數(shù)高，便于成型加工；但機(jī)械品質(zhì)因數(shù)較低，電損耗較大，穩(wěn)定性較差。Lee等[34]的研究表明，壓電陶瓷在高頻周期載荷下工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至發(fā)生斷裂，這也是壓電陶瓷使用過程中的一大缺陷。擊打式壓電振動(dòng)能量收集裝置的工作原理是利用了d33模式[35]，作用力方向與極化方向相同，通過質(zhì)量塊撞擊壓電振子使其產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)能量的收集。擊打式壓電振動(dòng)能量收集裝置發(fā)電時(shí)間短，但能產(chǎn)生較高的電壓，且其機(jī)電耦合系數(shù)較高。

Davide Alghisi等[36]提出了一種三軸球可變自由度的擊打式壓電振動(dòng)能量收集裝置，該裝置振動(dòng)時(shí)通過內(nèi)部球體擊打相應(yīng)方向的壓電陶瓷片產(chǎn)生電能，可對(duì)多個(gè)方向的振動(dòng)能量進(jìn)行收集，圖1為該能量收集裝置的示意圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置適用于低頻環(huán)境中，且工作頻帶較寬。當(dāng)裝置外加電阻為10 kΩ時(shí)，每個(gè)發(fā)電薄片在1.8g(g=9.8 m/s2)平均加速度白噪聲激勵(lì)下可實(shí)現(xiàn)4 μW的功率轉(zhuǎn)換。通過給該裝置的輸出進(jìn)行整流，人以4 km/h的速度行走1 min可給470 mF的電容輸送1 mJ的能量。

圖1 三軸球壓電能量收集裝置示意圖

張旭輝等[37-38]提出了一種全方向振動(dòng)能量收集器及其改進(jìn)裝置，該裝置利用擊錘擊打壓電陶瓷產(chǎn)生電能，如圖2所示。圖2(a)中裝置諧振頻率與外界振動(dòng)頻率匹配時(shí)輸出電壓高達(dá)28 V，且能對(duì)多個(gè)方向上的振動(dòng)能量進(jìn)行收集。圖2(b)為其改進(jìn)后的全方向振動(dòng)能量收集裝置，改進(jìn)后的裝置各個(gè)俘能模塊之間相互獨(dú)立,可更換且系統(tǒng)阻尼較小。實(shí)驗(yàn)研究表明，該改進(jìn)裝置(見圖2(b))由于能夠轉(zhuǎn)換方向，從而使其有效俘能帶寬較改進(jìn)前(見圖2(a))有明顯增加，且其輸出電壓峰值較改進(jìn)前提高約11倍，最大輸出功率可達(dá)到28.75 μW。但由于其壓電材料為壓電陶瓷，長時(shí)間在大振幅，高頻率作用下易碎，故其更適合在低頻、小振幅的環(huán)境下工作。

圖2 全方向擊打式能量收集裝置及其改進(jìn)裝置

1.2 懸臂梁式多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置

懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集裝置的壓電材料多為壓電薄膜材料和壓電陶瓷，其中壓電薄膜材料的典型代表是聚偏氟乙烯(PVDF)，PVDF的壓電特性首次由Heiji Kawai于1969年提出，其材質(zhì)柔韌，阻抗低，壓電電壓常數(shù)高，響應(yīng)頻帶寬且抗腐蝕，因能加工成大面積的膜而非常適合于壓電式振動(dòng)能量收集應(yīng)用。但其壓電應(yīng)變常數(shù)較低，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率偏低[32,39]。壓電陶瓷較壓電薄膜材料能量轉(zhuǎn)換效率高，但其材質(zhì)柔韌性相對(duì)較差，長時(shí)間在交變應(yīng)力作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋。懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集裝置的工作原理主要運(yùn)用d31模式[35]，作用力方向與極化方向垂直，當(dāng)能量收集裝置受到外界振動(dòng)的激勵(lì)時(shí)，由于正壓電效應(yīng)的作用，就會(huì)在壓電材料表面輸出電能。

針對(duì)懸臂梁式多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置，國內(nèi)外一些專家學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。國外，Su W J等[40]于2013年提出了一種磁力耦合的多方向振動(dòng)能量收集裝置，如圖3所示。該裝置由1個(gè)彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)，2個(gè)主懸臂梁和1個(gè)輔助懸臂梁3部分組成，3個(gè)組成部分之間通過磁力耦合作用構(gòu)成1個(gè)非線性系統(tǒng)，可以收集3個(gè)方向的振動(dòng)能量。其中，裝置沿豎直方向振動(dòng)時(shí)可輸出電壓幅值為10.2 V，且可收集較寬頻帶范圍內(nèi)的振動(dòng)能量，但是裝置由于引入多個(gè)磁鐵而使系統(tǒng)較復(fù)雜，對(duì)其建模分析存在一定困難。

圖3 一種磁力耦合的多方向能量收集裝置示意圖

意大利卡塔尼亞大學(xué)的Andò B等[41]研究了一對(duì)磁力耦合的雙穩(wěn)態(tài)非線性壓電能量收集裝置，如圖4所示。該裝置的工作頻帶較寬且能夠收集y、z兩個(gè)方向上的振動(dòng)能量，能量收集效率較高，在實(shí)驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)5.6 μW的功率輸出。

圖4 磁力耦合雙穩(wěn)態(tài)非線性壓電能量收集結(jié)構(gòu)

陳仁文等[42]提出了一種立方體-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的全方向振動(dòng)能量收集裝置，如圖5所示。該裝置的拾能單元為Rainbow型，實(shí)驗(yàn)表明該裝置可以對(duì)環(huán)境中多個(gè)方向上的振動(dòng)能量進(jìn)行收集，從而提高了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換效率。但是當(dāng)振動(dòng)方向處于裝置對(duì)角線方向時(shí)，能量收集效率較低。

圖5 立方體-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)能量收集裝置

陳仁文等[43]還提出了另一種蒲公英狀的全方向能量收集裝置，如圖6所示。該裝置由一個(gè)多面體支撐塊，多個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)和基座組成，其中多個(gè)懸臂梁按不同的方位均勻安裝在支撐塊上。當(dāng)其隨外界產(chǎn)生受迫振動(dòng)時(shí)，總有相應(yīng)方向的懸臂梁會(huì)產(chǎn)生彎曲，從而利用應(yīng)變片的正壓電效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)全方向的振動(dòng)能量收集。另外，該能量收集裝置為復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)，若懸臂梁的共振頻率不同，則在某一方向下，該裝置能進(jìn)行寬頻帶的振動(dòng)能量收集。

圖6 蒲公英狀能量收集裝置

總之，多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置相對(duì)于單方向裝置由于能量收集方向增多而使其俘能效率提高，但外界振動(dòng)環(huán)境往往多變，而振動(dòng)頻率等因素的改變會(huì)使裝置的能量收集效率降低，故而需要進(jìn)一步研究多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的俘能效率提升方法。

2 多方向壓電振動(dòng)能量收集效率提升方法

針對(duì)目前多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置發(fā)電能力提升問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，并取得了較大進(jìn)展。主要是通過陣列式[44-45]、自調(diào)諧[46-47]、非線性[48-50]等方法拓寬振動(dòng)能量收集裝置的俘能帶寬；通過轉(zhuǎn)升頻[51-52]來增加振動(dòng)能量收集裝置單位時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)次數(shù)；通過自動(dòng)參數(shù)諧振技術(shù)[53-54]來放大基礎(chǔ)激勵(lì)等。

2.1 陣列式

陣列式能量收集是在振動(dòng)能量收集裝置上安裝多個(gè)壓電俘能單元，且每個(gè)俘能單元的諧振頻率不同，裝置隨外界環(huán)境發(fā)生振動(dòng)時(shí)，必有相應(yīng)的壓電振子能夠?qū)ν饨缯駝?dòng)進(jìn)行有效收集，從而拓寬整個(gè)壓電振動(dòng)能量收集裝置的俘能帶寬。圖7為Tanjn Yildirim等[44]提出的一種三自由度的陣列式振動(dòng)能量收集裝置。圖中4個(gè)懸臂梁壓電振子的懸臂梁寬度、質(zhì)量塊質(zhì)量均不同，故其諧振頻率均不相同，該振動(dòng)能量收集裝置通過多個(gè)壓電振子俘能帶寬疊加實(shí)現(xiàn)拓頻的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)4個(gè)懸臂梁耦合陣列配置時(shí)，在1.5g(g=9.8m/s2)的激勵(lì)下，其模態(tài)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)8個(gè)共振峰，可拓寬頻帶為5～12.5 Hz。另外，溫志渝等[45]研究指出，若陣列式振動(dòng)能量收集裝置各壓電俘能單元屬性相同且使用同一個(gè)頂端質(zhì)量塊(見圖8)，則各個(gè)壓電俘能單元串聯(lián)可提高能量收集裝置輸出電壓。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，多個(gè)壓電振子串聯(lián)后的開路輸出電壓約為并聯(lián)的4.5倍。

圖7 一種三自由度陣列式振動(dòng)能量收集裝置

圖8 MEMS壓電陣列振動(dòng)能量收集裝置

2.2 自調(diào)諧

自調(diào)諧振動(dòng)能量收集通過能量收集裝置在振動(dòng)過程中自發(fā)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，改變裝置諧振頻率使其與外界振動(dòng)頻率相匹配，實(shí)現(xiàn)共振，從而提高能量收集效率。國外，Jo S E等[55]在2012年提出了一種利用懸臂梁自身的水平滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)裝置自身頻率調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)表明，在振動(dòng)過程中，該裝置其懸臂梁能夠以凸臺(tái)為中心滑動(dòng)，且能在幾秒鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)外界振動(dòng)頻率與裝置諧振頻率相一致，實(shí)現(xiàn)自調(diào)諧。張旭輝等[56]于2015年提出了一種自調(diào)諧全方向振動(dòng)能量收集裝置，如圖10所示。當(dāng)能量收集裝置隨外界產(chǎn)生受迫振動(dòng)時(shí)，組合懸臂梁可根據(jù)外界振動(dòng)方向自動(dòng)調(diào)節(jié)方向，以達(dá)到與外界環(huán)境振動(dòng)方向相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量的有效收集與轉(zhuǎn)換。另外，通過改變上、下永磁體的間距可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，以接近外界環(huán)境振動(dòng)頻率，提高能量轉(zhuǎn)換效率，適用范圍較廣。

圖9 滑塊懸臂梁自調(diào)諧結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 自調(diào)諧全方向振動(dòng)能量收集裝置

2.3 非線性

大量研究表明，線性的能量收集裝置只有在外界振動(dòng)源發(fā)生共振時(shí)才能輸出最大的電能，但外部振動(dòng)環(huán)境多變，這使線性振動(dòng)能量收集裝置的俘能效率降低。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者從線性振動(dòng)能量收集裝置的研究轉(zhuǎn)到非線性收集裝置的研究。意大利佩魯賈大學(xué)NiPS實(shí)驗(yàn)室在國際上較早提出了“非線性振動(dòng)能量俘獲”思想。并對(duì)非線性拓寬振動(dòng)能量收集裝置的俘能帶寬做了理論研究。在構(gòu)建非線性壓電俘能器方面，概括起來大致分為兩類[57-58]：

1) 引入非線性磁力。

2) 引入彎曲壓電梁。

2015年，藍(lán)春波等[59]提出了一種帶對(duì)稱碰撞磁斥力雙穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量收集裝置，如圖11所示。裝置中的碰撞彈簧可以將壓電振子的單勢阱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p勢阱大幅值運(yùn)動(dòng)，不僅增大了壓電振子的振動(dòng)幅值且拓寬了俘能頻帶，提高了其俘能效率。Yang等[60]使用弧形壓電貼片作為能量收集裝置中的核心轉(zhuǎn)換元件,以改善其性能，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)表明，弧形壓電俘能單元能夠產(chǎn)生等同于平板式壓電俘能單元2.55～4.25倍的能量。

圖11 帶對(duì)稱碰撞磁斥力雙穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量收集裝置

圖12 弧形壓電貼片能量收集裝置

張旭輝等[61]于2017年提出了一種新型組合梁式雙穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量收集裝置，如圖13所示。該裝置可通過調(diào)節(jié)磁鐵的間距使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)呈現(xiàn)大幅值、寬頻帶運(yùn)動(dòng)，且由于組合懸臂梁的引入，使其能夠收集多個(gè)方向上的振動(dòng)能量，具有結(jié)構(gòu)非線性，適用范圍廣。

圖13 新型組合梁式雙穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量收集裝置

2.4 頻率泵浦

頻率泵浦是提高振動(dòng)能量收集效率的方法之一，能夠使裝置在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的振動(dòng)，以此來提高能量收集效率，一種簡單的方法是利用彈簧來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)振動(dòng)頻率的放大。因此，有關(guān)專家學(xué)者利用慣性質(zhì)量的低頻運(yùn)動(dòng)激發(fā)壓電振子的高頻諧振原理，制成了各種振動(dòng)能量收集裝置。Huicong Liu等[62]提出了一種利用懸臂式止動(dòng)器的壓電式能量收集裝置，如圖14所示。該裝置由低固有頻率的激勵(lì)振蕩器和高固有頻率的轉(zhuǎn)升頻止動(dòng)器組成。當(dāng)激勵(lì)振蕩器振動(dòng)幅值超出一定范圍而激勵(lì)轉(zhuǎn)升頻止動(dòng)器時(shí)，轉(zhuǎn)升頻止動(dòng)器將以更高的振動(dòng)頻率振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)頻率的提升，提高裝置輸出。

圖14 懸臂式止動(dòng)器壓電能量收集裝置

王晨等[63]提出了一種上變頻的寬頻帶穩(wěn)頻能量收集器，如圖15所示。圖中，壓電材料粘貼在發(fā)電懸臂梁上。在懸臂梁的撓度極限范圍內(nèi)，懸臂兩側(cè)各放置兩個(gè)柔性止動(dòng)器。裝置基體上安裝具有磁吸力的永磁體。當(dāng)柔性擋塊撞擊懸臂梁時(shí)，其振動(dòng)首先在其耦合振動(dòng)頻率下激勵(lì)，然后以其自身較高的諧振頻率激勵(lì)，增加單位時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)次數(shù)。且磁吸力可將懸臂梁的阱間運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到更低的頻帶，降低阱間勢壘，從而提高裝置的俘能效率。數(shù)據(jù)表明，此方法可將能量收集裝置的俘能效率顯著提高35倍。

圖15 上變頻的寬頻帶穩(wěn)頻能量收集器示意圖和實(shí)物圖

2.5 彈性放大器

彈性放大器是在振動(dòng)能量收集裝置與基礎(chǔ)激勵(lì)之間引入線性放大器，通過線性放大器將基礎(chǔ)激勵(lì)幅值放大后，為振動(dòng)能量收集裝置提供更大的激勵(lì)幅值，同時(shí)也會(huì)使線性振動(dòng)能量收集裝置更快進(jìn)入諧振狀態(tài)或使非線性振動(dòng)能量收集裝置更快進(jìn)入高能狀態(tài)，從而提高振動(dòng)能量收集裝置的俘能效率。21世紀(jì)20年代初，國內(nèi)外專家學(xué)者已對(duì)自動(dòng)參數(shù)諧振技術(shù)做了研究，并證實(shí)能夠提高振動(dòng)能量收集裝置的俘能效率[64-66]。

近年來，王光慶等[53]提出了一種帶彈性放大器的雙穩(wěn)態(tài)壓電能量收集裝置，如圖16所示。該裝置借助壓電能量采集器與基礎(chǔ)激勵(lì)之間的線性放大器，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)激勵(lì)的放大。實(shí)驗(yàn)證明，通過選用合理的彈簧參數(shù)，可使帶線性放大器的能量采集器輕松進(jìn)入高能狀態(tài)，另外增加能量采集器和線性放大器的質(zhì)量比和剛度比可拓寬能量收集頻帶，有效地緩解能量采集裝置在低激勵(lì)幅值下俘能效率不高的現(xiàn)狀。

圖16 帶彈性放大器的雙穩(wěn)態(tài)壓電能量收集裝置

Yu Jia等[54]提出了一種帶放大作用的自動(dòng)參數(shù)諧振器，如圖17所示。該能量收集裝置的放大器采用軟鋼片作為諧振器的彈簧，可通過調(diào)整基部夾具的定位來改變軟鋼片的有效長度,從而實(shí)現(xiàn)放大器剛度的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，該自動(dòng)參數(shù)諧振器相比單懸臂梁可更早進(jìn)入諧振狀態(tài)，且具有更高的功率輸出。

圖17 帶放大作用的自動(dòng)參數(shù)諧振器實(shí)物圖

3 多方向壓電振動(dòng)能量收集面臨的難題

綜合國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，多方向壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究主要面臨以下幾個(gè)方面的難題。

3.1 智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

振動(dòng)能量收集裝置智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有利于收集多個(gè)方向上的振動(dòng)能量，且可拓寬能量收集頻帶，從而更好地適應(yīng)外界振動(dòng)環(huán)境，提高能量收集效率。雖然到目前為止，許多專家學(xué)者陸續(xù)提出了不同的裝置結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)的振動(dòng)能量收集裝置只對(duì)單一方向上的振動(dòng)敏感，且收集頻帶較窄，而實(shí)際外界振動(dòng)環(huán)境往往表現(xiàn)為低頻、寬頻帶且具有隨機(jī)性，因此如何進(jìn)行多方向能量收集以及將外界振動(dòng)特性與振動(dòng)能量收集機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來，是提高寬帶低頻環(huán)境振動(dòng)能量俘獲效率迫切需要解決的一個(gè)核心應(yīng)用基礎(chǔ)理論問題。

3.2 復(fù)雜系統(tǒng)建模與動(dòng)力學(xué)特性研究

一個(gè)完整的振動(dòng)能量收集裝置常存在力場、磁場、重力場及電場等多場之間的耦合關(guān)系。就力-磁-電耦合而言，通過調(diào)節(jié)磁鐵間距來改變磁場強(qiáng)弱，以此改變振動(dòng)能量收集裝置的受力振動(dòng)狀態(tài)，加之外界復(fù)雜多變的振動(dòng)環(huán)境，該多場耦合非線性系統(tǒng)將會(huì)相當(dāng)復(fù)雜；而對(duì)于振動(dòng)能量收集裝置本身，存在結(jié)構(gòu)非線性、壓電材料非線性等；對(duì)于耦合場而言，存在磁場、電路及溫度場等非線性，均對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模與分析帶來一定困難。

3.3 微能量收集電路設(shè)計(jì)

振動(dòng)能量收集裝置轉(zhuǎn)換的電能為交流電，往往需要經(jīng)過能量收集電路進(jìn)行整流、穩(wěn)壓后才能為負(fù)載供電。另外，壓電材料阻抗極高，輸出電流和功率較小，如何設(shè)計(jì)能量收集效率高，且能與能量收集裝置實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的微能量收集電路，進(jìn)行機(jī)械能到電能的有效轉(zhuǎn)換與利用，是目前壓電振動(dòng)能量收集面臨的主要難題之一。

4 多方向振動(dòng)能量收集發(fā)展趨勢

關(guān)于振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究，雖然國內(nèi)外專家學(xué)者已取得了一定進(jìn)展，但目前仍然存在一些問題需要逐步解決完善。

4.1 采用新型壓電材料提升俘能效率

壓電振動(dòng)能量收集是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，因此，壓電材料的性能將直接影響能量收集裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。到目前為止，壓電材料主要有壓電單晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電纖維復(fù)合材料等，對(duì)于壓電材料的研究仍處在初步階段，而新型壓電材料的研究與使用對(duì)能量收集裝置俘能效率的提升至關(guān)重要，故本領(lǐng)域?qū)?huì)是今后壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

4.2 考慮非線性和多場耦合因素的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究優(yōu)化能量收集結(jié)構(gòu)

通過設(shè)計(jì)振動(dòng)能量收集裝置智能結(jié)構(gòu)及采用新型壓電材料，可提高俘能裝置對(duì)于外界低振幅、寬頻帶環(huán)境振動(dòng)的收集效率，但裝置動(dòng)力學(xué)建模與解算對(duì)其響應(yīng)分析至關(guān)重要。目前多數(shù)專家學(xué)者對(duì)振動(dòng)能量收集裝置動(dòng)力學(xué)建模均采用簡化的集中參數(shù)模型，在建模過程中多數(shù)未考慮電路對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生的影響，有的缺少對(duì)機(jī)械阻尼作用的分析等。另外，全方向振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓電材料、振源頻率、加速度、機(jī)械阻尼系數(shù)及能量收集電路效率等因素都會(huì)影響俘能器的性能。因此，建立更精確的振動(dòng)能量收集裝置動(dòng)力學(xué)模型，可以更準(zhǔn)確地分析裝置的響應(yīng)特性，對(duì)裝置的優(yōu)化具有極其重要的意義。

4.3 振動(dòng)能量收集系統(tǒng)工程應(yīng)用研究

對(duì)于壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究，包括壓電振動(dòng)能量收集理論研究、微能量儲(chǔ)存技術(shù)研究和能量應(yīng)用研究。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在一些特殊的場合已實(shí)現(xiàn)壓電俘能技術(shù)的應(yīng)用，如高樓振動(dòng)監(jiān)測、可穿戴式微器件供電、無線傳感器微能源供給等，但其在某些復(fù)雜惡劣環(huán)境下的微能源供給(如煤礦井下綜采設(shè)備無線監(jiān)測傳感器供電)尚未實(shí)現(xiàn)，仍需進(jìn)一步研究，因此，壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)應(yīng)用研究將成為本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。

5 結(jié)束語

本文研究了多方向壓電振動(dòng)能量收集設(shè)計(jì)及優(yōu)化問題，針對(duì)如煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下微電子低能耗設(shè)備供電問題，由于實(shí)際應(yīng)用中外部環(huán)境的振動(dòng)往往存在方向不確定和頻率離散性，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境中振動(dòng)能量的有效收集，對(duì)振動(dòng)能量收集裝置效率提升方法的研究至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外針對(duì)多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的研究已取得了一些進(jìn)展，本文分析了近年來國內(nèi)外專家的研究成果，總結(jié)了提升多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置效率的有效方法及其面臨的難題，對(duì)多方向壓電振動(dòng)能量收集的研究具有一定的借鑒意義。