王旭明，代顯智*，陳 旺，顏 強(qiáng)，趙 坤，朱艷生

(1.西華師范大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 南充 637009；2.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院 通信與物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，重慶 401520)

0 引言

在電子設(shè)備中，許多電子設(shè)備的功耗越來越低，如：石英手表的典型功耗為5μW，無線傳感器節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙設(shè)備的典型功耗分別為100μW和2 mW[1].將自然環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換成電能，可為上述低功耗設(shè)備提供所需的電能，可以有效解決鋰電池或者堿性電池回收機(jī)制不健全，對環(huán)境污染的問題.振動(dòng)是自然環(huán)境中常見的一種能量，廣泛存在于日常生活和生產(chǎn)中.將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能為低功耗的設(shè)備供電，是目前研究的熱點(diǎn)之一.環(huán)境中振動(dòng)的頻率范圍分布很廣，傳統(tǒng)的單頻振動(dòng)能量采集器只有在外界頻率點(diǎn)與采集器的固有頻率相等時(shí)，才能采集到最大的能量，在其它頻點(diǎn)采集到的能量迅速下降.為了克服單頻振動(dòng)能量采集器工作頻帶較窄的問題，研究者提出寬頻振動(dòng)能量采集器，能夠在較寬的頻帶內(nèi)輸出較高的能量.如何提高寬頻振動(dòng)能量采集器的頻帶帶寬和轉(zhuǎn)換效率，許多研究者對此展開了深入的研究，提出了多種方式的寬頻振動(dòng)能量采集器.其中，碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、效率高等的優(yōu)點(diǎn)，受到了很多研究者的關(guān)注.

1 寬頻振動(dòng)能量采集器簡介

為了提高采集器的工作效率，越來越多的研究人員對寬頻振動(dòng)能量采集器展開了研究.目前實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集的方法有：調(diào)諧法、非線性法、多模態(tài)法、升頻法、碰撞法等[2].

調(diào)諧法的原理是改變系統(tǒng)的固有頻率[3]，使其固有頻率與外界振動(dòng)頻率一致，從而實(shí)現(xiàn)寬頻能量采集.改變系統(tǒng)固有頻率的方法主要有：改變質(zhì)量塊的大小、改變剛度系數(shù)、改變質(zhì)量塊的位置.例如，在2014年，Aboulfotoh等[4]提出一種調(diào)諧式的寬頻振動(dòng)能量采集器，該采集器通過改變磁鐵之間的距離，使懸臂梁的固有頻率與激勵(lì)頻率相匹配，實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.實(shí)驗(yàn)表明，該采集器的采集頻率范圍為4.7～9.0 Hz.2016年，孫曉陽等[5]提出一種可調(diào)頻的壓電振動(dòng)能量采集器，該采集器通過改變可動(dòng)永磁體與磁性質(zhì)量塊之間的距離，來改變壓電懸臂梁的剛度系數(shù)，進(jìn)而改變其諧振頻率.實(shí)驗(yàn)表明，該采集器能采集51～110 Hz環(huán)境振動(dòng)頻率，帶寬達(dá)到59 Hz.

非線性法的原理是利用非線性剛度系數(shù)的振蕩器來實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)采集.因?yàn)榉蔷€性振動(dòng)器的振幅頻率響應(yīng)是一個(gè)向左或向右彎曲的曲線，所以具有寬頻采集性能[2].非線性法的方法主要是在結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)磁鐵，運(yùn)用磁力的非線性實(shí)現(xiàn)寬頻.2014年，F(xiàn)an等[6]提出了一種非線性寬頻振動(dòng)能量采集器.該采集器通過兩個(gè)可移動(dòng)磁體之間的磁力實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)采集.實(shí)驗(yàn)測得電壓超過2 V的帶寬為7.5 Hz(19～26.5 Hz).2019年，陳旺等[7]提出了采用L型梁的多方向?qū)掝l振動(dòng)能量采集器，該采集器通過末端磁鐵的相互作用實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.在激勵(lì)加速度為0.4 g時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得的最大帶寬約5 Hz.

多模態(tài)法的原理是調(diào)整所設(shè)計(jì)的振蕩器，使振蕩器具有多個(gè)諧振頻率或振動(dòng)模態(tài)[8].多模態(tài)法常見的實(shí)現(xiàn)方法是：利用多個(gè)不同諧振頻率的懸臂梁構(gòu)成一個(gè)振蕩器，或者利用具有多個(gè)諧振頻率的特殊結(jié)構(gòu)的梁體來實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.2014年，Hu等[9]提出一種三階段不對稱懸臂結(jié)構(gòu)的寬帶振動(dòng)能量采集器，該采集器的自由端有三個(gè)不同質(zhì)量的物塊，來實(shí)現(xiàn)三個(gè)頻點(diǎn)的振動(dòng)采集.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)頻點(diǎn)分別為35.4 Hz，74.2 Hz，126.4 Hz.2015年，Wu等[10]提出一種不對稱M型懸臂梁的多共振寬帶能量采集器，該結(jié)構(gòu)含有三個(gè)不同長度的懸臂梁，來實(shí)現(xiàn)三個(gè)頻點(diǎn)的能量采集.實(shí)驗(yàn)表明，開路電壓大于5 V的能量采集頻帶寬度達(dá)到6 Hz.

升頻法是使能量采集器由低能小幅值振動(dòng)軌道瞬間進(jìn)入高能大幅值振動(dòng)軌道，從而極大地提高能量采集器的輸出性能[11].升頻法主要是利用齒輪、碰撞、磁力的有無等結(jié)構(gòu)將環(huán)境的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換成振蕩器的高頻振動(dòng).2012年，Tang等[12]提出了一種升頻式振動(dòng)能量采集器，該采集器的中間，設(shè)置有在豎直方向上運(yùn)動(dòng)的磁鐵，通過磁力，作用到兩側(cè)水平方向上的磁鐵彈簧系統(tǒng).當(dāng)采集器受到豎直方向的低頻激勵(lì)時(shí)，豎直方向上的磁鐵上下運(yùn)動(dòng).當(dāng)豎直運(yùn)動(dòng)的磁鐵運(yùn)動(dòng)靠近中間位置時(shí)，磁力推動(dòng)兩側(cè)的磁鐵使彈簧收縮；當(dāng)其遠(yuǎn)離中間部分時(shí)，彈簧釋放彈力，使水平方向上的磁鐵高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升頻能量采集.實(shí)驗(yàn)測得，該采集器的帶寬達(dá)到11 Hz.

碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器是利用碰撞使系統(tǒng)的剛度發(fā)生分段性的改變，系統(tǒng)的剛度變化，使得采集器的諧振頻率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器中引入的碰撞，可分為硬碰撞和軟碰撞.硬碰撞在系統(tǒng)中引入剛度為無窮大的止動(dòng)塊，當(dāng)采集器運(yùn)動(dòng)部件與止動(dòng)塊碰撞時(shí)，采集器運(yùn)動(dòng)部件的速度突變?yōu)?或反方向運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)的剛度發(fā)生非常大的突變.軟碰撞則是引入一個(gè)剛度為有限值的部件，采集器運(yùn)動(dòng)部件與其碰撞后，原運(yùn)動(dòng)部件的速度降低，并繼續(xù)按原方向運(yùn)動(dòng)，但整個(gè)采集器系統(tǒng)的剛度系數(shù)也會(huì)發(fā)生分段性的改變，因此也能實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.

2017年，Zhenlong Xu等[13]提出了一種基于碰撞的升頻振動(dòng)能量采集器.該采集器由兩個(gè)平行的懸臂梁構(gòu)成.在振動(dòng)過程中，兩平行懸臂梁發(fā)生碰撞，使系統(tǒng)剛度發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.實(shí)驗(yàn)表明，采集器的半功率帶寬約為25 Hz，采集器的最大輸出功率為0.7 mW.

表1對各種典型寬頻振動(dòng)能量采集器進(jìn)行了簡單的對比.從表1可以看出，非線性法、多模態(tài)法的帶寬較窄，碰撞法、調(diào)諧法、升頻法的帶寬較寬.調(diào)諧法、升頻法結(jié)構(gòu)通常較復(fù)雜，體積較大，而碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，頻帶寬，輸出功率較高.所以碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器受到了許多研究者關(guān)注.接下來將主要介紹近年碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器的研究現(xiàn)狀.

表1 典型寬頻振動(dòng)能量采集器特征對比

2 碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器研究進(jìn)展

2008年，Soliman等[14,15]提出了一種基于碰撞的電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該采集器懸臂梁自由端下表面設(shè)置有線圈，對應(yīng)著上表面左側(cè)l2/2處一段距離設(shè)置有質(zhì)量塊，懸臂梁上方距離根部l0處設(shè)置一止動(dòng)塊.當(dāng)采集器受到激勵(lì)，在垂直于懸臂梁方向的豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈來回穿過固定的磁鐵形成的磁場，切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流.當(dāng)質(zhì)量塊豎直方向的運(yùn)動(dòng)位移大于z0時(shí)，懸臂梁將碰撞止動(dòng)塊，止動(dòng)塊阻礙懸臂梁繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng).碰撞使懸臂梁有效長度發(fā)生突變，改變了懸臂梁的剛度，擴(kuò)展了采集器的帶寬.作者推導(dǎo)了該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果如圖2所示.可以看出，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果十分吻合，負(fù)載均方根電壓高于6 mV的工作帶寬達(dá)到了4.8 Hz，相比較于不加止動(dòng)塊提升了240%[10].

圖1 碰撞+電磁能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖[14]

圖2 仿真與實(shí)驗(yàn)的均方根電壓頻率響應(yīng)曲線[14]

2013年，Miah A Halim等[1,16]提出了一種基于碰撞升頻的寬帶壓電能量采集器，如圖 3所示.該能量采集器由兩部分組成：第一部分為T型主梁，其末端固定有一個(gè)質(zhì)量塊，作為驅(qū)動(dòng)梁來使用；第二部分為兩個(gè)副梁，作為壓電梁來使用.壓電梁由兩層0.3 mm的壓電片粘在0.1 mm厚的不銹鋼層上構(gòu)成.兩個(gè)壓電梁均勻分布在驅(qū)動(dòng)梁兩側(cè)，橫向距離為7 mm，末端質(zhì)量塊與壓電梁距離0.5 mm.驅(qū)動(dòng)梁固有頻率較低，壓電梁固有頻率較高，驅(qū)動(dòng)梁在較低頻率下振動(dòng)時(shí)，撞擊壓電梁，使壓電梁產(chǎn)生高頻率的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量采集.圖4顯示負(fù)載為 時(shí)，在不同加速度下工作頻率與輸出功率的關(guān)系.由圖可知，加速度為0.6 g時(shí)峰值功率約為377μW，大于300μW的頻率帶寬為4 Hz.

圖3 機(jī)械碰撞式能量采集器原理圖[16]

圖4 在不同加速度作用下采集器單個(gè)采集梁的輸出功率對頻率的響應(yīng)曲線[16]

2015年,Miah A Halim等[17,18]提出了一種采用沖擊增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)放大的寬帶能量采集器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.該結(jié)構(gòu)主梁的自由端固定一個(gè)主質(zhì)量塊，主質(zhì)量塊上固定一個(gè)在主梁上方，且與主梁平行的副梁，副梁的自由端固定一個(gè)次級質(zhì)量塊.在主質(zhì)量塊下方Gap處設(shè)置有止動(dòng)塊.在振動(dòng)過程中，當(dāng)主質(zhì)量塊與止動(dòng)塊發(fā)生碰撞時(shí)，主懸臂梁的剛度將發(fā)生改變，主懸臂梁的運(yùn)動(dòng)將發(fā)生突變，使共振頻率進(jìn)一步擴(kuò)大，擴(kuò)展了工作頻率帶寬.圖6是在1 g加速度下，碰撞式和傳統(tǒng)能量采集器在各自最佳負(fù)載電阻下，平均功率的頻率響應(yīng)曲線.從圖6可以看出，碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器在1 g加速度下的半功率帶寬達(dá)到15 Hz.

圖5 帶沖擊增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)放大的寬帶能量采集器[17]

圖6 1 g加速度下，碰撞式和傳統(tǒng)能量采集器在各自最佳負(fù)載電阻下的平均功率的頻率響應(yīng)曲線[17]

2017年，王辰[19,20]在典型的磁致彈性三穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量采集器基礎(chǔ)上，提出五穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量采集器(QEH)的集中參數(shù)模型.具體結(jié)構(gòu)如下：QEH懸臂梁方向豎直向下，末端固定有一磁鐵，距離磁鐵正下方h處，設(shè)置一對距離為d的磁鐵，在距離懸臂梁根部l0兩側(cè)，設(shè)置對稱分布的止動(dòng)塊，如圖 7所示.采集器受到外界振動(dòng)，當(dāng)l0處懸臂梁位移大于h0時(shí)，止動(dòng)塊與懸臂梁發(fā)生碰撞作用，使得懸臂梁的等效長度突變，間接改變了懸臂梁的剛度，拓寬了采集器的工作頻帶寬度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8所示，五穩(wěn)態(tài)能量采集器在加速度為7 m/s2時(shí)，采集頻帶最寬，達(dá)到了7 Hz，且半功率帶寬也約為7 Hz.這比傳統(tǒng)沖擊能量采集器擴(kuò)展了2.5 Hz.

圖7 五穩(wěn)態(tài)能量采集器示意圖[19]

圖8 在多個(gè)基礎(chǔ)加速度下，五穩(wěn)態(tài)能量采集器在最佳負(fù)載下的輸出功率與頻率的關(guān)系曲線[19]

同年，程千駒[21,22]提出了單自由度和兩自由度的分段線性寬頻壓電振動(dòng)能量采集器，結(jié)構(gòu)如圖9所示.單自由度振動(dòng)能量采集器由內(nèi)外基座、主懸臂梁及撞擊懸臂梁四部分構(gòu)成.內(nèi)外基座的相對距離可調(diào)，內(nèi)基座固定有撞擊梁，外基座固定有主梁，主梁自由端通過螺母固定有質(zhì)量塊.故振動(dòng)質(zhì)量為質(zhì)量塊與螺母質(zhì)量之和.主梁上表面貼有壓電片.兩自由度振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)為：在單自由度的主梁末端添加第二段梁，并在其末端固定有頂端質(zhì)量.中間質(zhì)量塊與撞擊梁發(fā)生碰撞時(shí)改變了第一段梁的剛度，擴(kuò)展了系統(tǒng)的頻帶寬度.兩自由度分段線性能量采集器的輸出開路電壓幅頻特性曲線如圖 10所示.在電壓頻率響應(yīng)曲線的第二階段中，電壓峰值由C0點(diǎn)(約26 V)變化為C點(diǎn)(約23 V)，頻率值則由C0點(diǎn)(約21 Hz)變化為C點(diǎn)(約23 Hz).在第五階段中，電壓峰值由I0點(diǎn)(約17 V)變化為I點(diǎn)(約16 V)，頻率值則由I0點(diǎn)(約50 Hz)變化為I點(diǎn)(約54 Hz).兩自由度分段線性壓電能量收集器一階共振區(qū)間的最大輸出功率約為544μW，二階共振區(qū)間的最大輸出功率約為559μW.該能量采集器的半功率帶寬約為10 Hz.

圖9 分段線性壓電能量采集器(單自由度(上)多自由度(下) )[21]

圖10 兩自由度分段線性能量采集器輸出開路電壓幅頻特性曲線[21]

2018年，Liya Zhao等[23]提出了一種新型寬帶振動(dòng)能量采集器，可以同時(shí)從環(huán)境振動(dòng)和風(fēng)中獲取能量.為了拓寬采集頻帶，作者提出了如圖11所示的結(jié)構(gòu).壓電懸梁臂的自由端固定有D形質(zhì)量塊，并在其上貼有壓電片，懸梁臂下方有一個(gè)止動(dòng)塊.D形質(zhì)量塊可以將風(fēng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成壓電梁的振動(dòng)，也可以作為質(zhì)量塊直接感應(yīng)環(huán)境的振動(dòng).在振動(dòng)過程中，當(dāng)D型質(zhì)量塊與止動(dòng)塊碰撞，使得懸梁臂的剛度發(fā)生突變，從而拓寬采集器的帶寬.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，在風(fēng)速5.5 m/s，基礎(chǔ)加速度0.5 g的情況下，該采集器的最大平均功率約為3.8 mW，半功率帶寬的頻帶寬度約為3 Hz.

圖11 帶有D型塊的碰撞式壓電能量采集器結(jié)構(gòu)[23]

圖12 恒定風(fēng)速5.5 m/s，不同加速度條件下平均功率與振動(dòng)頻率的響應(yīng)曲線[23]

2019年，Jinhui Zhang等[24]提出了一種新型的繩約束與碰撞結(jié)合的寬帶壓電振動(dòng)能量采集器(如圖13所示).該結(jié)構(gòu)由上下兩個(gè)平行的懸臂梁組成，上方懸臂梁固定端上表面貼有壓電片，下方懸臂梁自由端的上表面固定有一質(zhì)量塊，且兩個(gè)懸臂梁末端用繩索連接.在振動(dòng)過程中，當(dāng)上下兩懸臂梁發(fā)生背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們間的相對運(yùn)動(dòng)會(huì)被繩長約束；當(dāng)兩懸臂梁發(fā)生相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則會(huì)發(fā)生碰撞作用.以上兩種狀態(tài)均會(huì)改變系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而影響能量采集器的輸出，并使采集器具有寬頻效果.作者基于壓電振動(dòng)能量采集器的理論模型，分析了繩長對采集器性能的影響.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，繩長從0.5 mm調(diào)整到2 mm，壓電振動(dòng)能量采集器的中心工作頻率從74.75 Hz改變到106 Hz.由圖14可以看出，當(dāng)d1=0.5mm(d1為上方懸臂梁下表面與質(zhì)量塊上表面的距離之差)，d2=1.25mm(d2為繩長與兩懸臂梁垂直距離之差)時(shí)，采集器的輸出功率最大約為47μW，輸出功率大于20μW頻帶寬度達(dá)到了15 Hz.

圖13 Zhang等人提出的采集器結(jié)構(gòu)模型[24]

圖14 d1=0.5 mm時(shí)采集器的有效輸出功率與頻率的關(guān)系曲線[24]

2019年，為了改善低頻小振動(dòng)的振動(dòng)能量采集器實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，Kangqi Fan等[25]提出了一種帶止動(dòng)塊的單穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量采集器，結(jié)構(gòu)如圖15所示.該采集器懸臂梁自由端固定有兩個(gè)磁鐵，其磁力方向?yàn)樗椒较?在距離磁鐵表面距離為 處的左右兩側(cè)，各固定一塊磁鐵，且兩側(cè)磁鐵內(nèi)側(cè)還各設(shè)置有一個(gè)止動(dòng)塊.懸臂梁兩側(cè)磁鐵與懸臂梁磁鐵相互吸引.振動(dòng)過程中，懸臂梁磁鐵與止動(dòng)塊會(huì)發(fā)生碰撞作用，使采集器具有寬頻特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變懸臂梁磁鐵質(zhì)量、磁體之間的間隙，可以將采集器的工作頻率范圍調(diào)至較低的頻率范圍，可以實(shí)現(xiàn)較低頻率的振動(dòng)能量采集.該結(jié)構(gòu)比線性壓電采集器能提供更高的輸出功率和更寬的帶寬.由圖16可知，在0.15 g小加速度情況下，D=15 mm時(shí)，上下掃頻獲得最大功率輸出約為0.055 mW，功率超過0.02 mW的頻帶寬度為5 Hz.

圖15 帶止動(dòng)塊的單穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器示意圖[25]

圖16 在0.15 g加速度下，不同配置的采集器輸出功率與頻率的關(guān)系曲線[25]

2020年，K Zhou等[26]研究了壓電懸臂梁與不同止動(dòng)塊組合的結(jié)構(gòu)，如圖 17所示.該結(jié)構(gòu)在懸臂梁固定端貼有壓電片，自由端固定有質(zhì)量塊，在距離懸臂梁上下表面d處設(shè)置兩種類型的止動(dòng)塊：一種是在距離懸臂梁固定端Lf處，不可移動(dòng)的止動(dòng)塊，另一種是與懸臂梁平行的，可調(diào)整位置的止動(dòng)塊.在運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)止動(dòng)塊與懸臂梁發(fā)生碰撞作用時(shí)，導(dǎo)致懸臂梁的剛度發(fā)生改變，增加采集器的工作頻帶寬度.作者基于哈密頓原理，建立了能量采集系統(tǒng)的耦合非線性控制方程，并采用伽遼金方法對其進(jìn)行離散化，采用數(shù)值仿真的方法分析了輸出特性.從圖18可以看出，上下兩側(cè)可移動(dòng)止動(dòng)塊有效增大了采集器的工作頻帶寬度.在平均功率大于2 mW的頻率寬度約為2 Hz.此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：有止動(dòng)塊的采集器相對于常規(guī)采集器而言，輸出電壓幅值大于4 V的帶寬明顯增寬.

圖17 四種類型止動(dòng)塊的壓電能量采集器結(jié)構(gòu)圖[26]

圖18 平均功率隨激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線[26]

由表 2可知，Soliman等[14,15]提出的碰撞+磁電式振動(dòng)能量采集器，相比較于其他類型的采集器而言，工作頻帶僅有4.8 Hz，但是相比較于傳統(tǒng)的磁電式能量采集器而言，工作頻帶寬度已經(jīng)有了很大的提升；Miah A[1,16-18]和王辰[19,20]、程千駒[21,22]等提出的碰撞式振動(dòng)能量采集器都有各自的特點(diǎn)，其中，王辰提出的結(jié)構(gòu)測量得到的最大輸出功率值達(dá)到了7 mW；Liya Zhao等[23]提出的碰撞式能量采集器不僅可以采集振動(dòng)環(huán)境的能量，還可以采集風(fēng)能，實(shí)驗(yàn)測量該結(jié)構(gòu)得到的平均功率達(dá)到了3.8 mW；Jinhui Zhang等[24]的結(jié)構(gòu)簡單，并且易于調(diào)整，工作頻帶達(dá)20 Hz；Kangqi Fan等[25]提出的結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，在小的隨機(jī)激勵(lì)下也能提供大于0.02 mW的功率；K Zhou等[26]研究了四種不同的止動(dòng)塊下的功率輸出，具有很好的對比效果，結(jié)果說明了上下兩側(cè)可移動(dòng)止動(dòng)塊明顯增加了采集器的工作頻帶寬度.

表2 碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器帶寬與功率對比

此外，碰撞式振動(dòng)能量采集器雖然有頻帶寬、輸出功率較高等優(yōu)點(diǎn)，但也有其不可忽視的一些問題.例如在碰撞過程中不可避免的機(jī)械損耗；工作期間會(huì)產(chǎn)生噪聲、在大位移情況下可能還會(huì)存在結(jié)構(gòu)斷裂的意外情況；在小位移情況下，如果結(jié)構(gòu)中沒有發(fā)生碰撞作用，可能會(huì)導(dǎo)致工作頻帶變窄，輸出功率減小.因此，如何設(shè)計(jì)出最優(yōu)的碰撞結(jié)構(gòu)，是碰撞式振動(dòng)能量采集器發(fā)展中面臨的一個(gè)難題.

3 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備朝微型化、低功耗方向發(fā)展.振動(dòng)能量采集技術(shù)在代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池，為小型設(shè)備供電方面有其獨(dú)特優(yōu)勢.環(huán)境中的振動(dòng)，其頻率分布較廣，為了提高采集器的工作效率，研究者們提出了寬頻振動(dòng)能量采集器.在多種類型的寬頻振動(dòng)能量采集器中，碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，頻帶寬，輸出功率較高等優(yōu)點(diǎn).許多研究者對其展開了研究，提出了多種結(jié)構(gòu)的碰撞式寬頻振動(dòng)能量采集器.本文詳細(xì)介紹近年來典型的碰撞式振動(dòng)能量采集器，并對它們進(jìn)行對比研究.希望研究者們在本文的基礎(chǔ)上，提出更多新穎、有效的結(jié)構(gòu)，以此有效解決環(huán)境污染問題，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展.