基于压电式能量转换的微型振动能量采集器在物联网轨道交通中的应用*

闫泽涛，王学东

（1.航天华拓科技有限公司,深圳 518057；2.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，哈尔滨 150080）

1 引 言

近年来随着半导体技术和计算机技术的高速发展，轴温检测系统[1]项目，基于铂金属温度传感器和RFID 技术[2]，已被用来实现地铁列车轴箱温度的直接测量和数据上传。轴温检测系统中应用的轴温检测装置包括一个电子标签和与之连接的温度探头。电子标签安装在地铁列车车厢轴架上，温度探头通过轴箱紧固螺栓固定在轴箱盖上。轴温检测电子标签在设计上采用高温锂亚电池供电。由于锂电池无法承受轴箱的苛刻振动环境且电池的体积和重量较大，因此电子标签主体无法通过小型化设计直接安装在轴箱上，而是只能安装在列车轴架上，同时温度探头也需要固定在轴箱上，因此要在轴架和车体上进行短暂布线。这种分离设计方案给列车维修作业增加了一定工作量。为了可以在车辆大修时同步安排轴温检测电子标签的更换作业流程，减少日常维护过程中因电池寿命导致的电子标签更换操作，经论证分析，可采用振动能量采集技术作为轴温检测电子标签的供电方案，去掉占据绝大部分尺寸和重量的电池来实现电子标签小型化。

2 国内外研究现状

近年来，低功耗无线通信、智能传感器、射频识别技术（RFID）等新技术迅速兴起，正在合力打造一个无处不在的物联网络，在国防、工农业、智能家居和医疗健康等诸多领域都有很大的应用空间。为打破物联网系统供能瓶颈，提高传感器节点的使用寿命，减少其尺寸和维护工作量，各国开始研究能量采集器件。该类器件能够从环境中获取能量转换为电能。能量采集技术的本质是利用电磁效应等原理，从传感器组件工作环境中存在的光照、温度、机械振动或压力作用中获取能量。目前太阳能技术成为最成熟、应用最广泛的环境能量采集技术，在很多场景很好地解决了传感器和无线单元供电问题，但某些物联网应用场景缺少光照，或存在体积限制，导致无法使用太阳能技术，因此，基于振动等效应的能量采集方式成为太阳能技术有效的替代或补充[3]。随着物联网技术的发展，振动能量采集技术受到了越来越多科研人员的关注。半导体器件的小型化和微机电技术的发展则促进了这一方面的研究。目前振动能量采集器件研究的目的在于提取环境中的振动能量为小型电子设备供电，从而能替代或者减少外部电源的使用。该技术吸引了来自不同学科和领域的研究者，包括材料、力学、电子和机械等学科的研究人员，成为一个跨学科的研究热点。

自1996年英国谢菲尔德大学开展振动能量转换技术研究以来，振动能量转换技术研究获得高速发展。国外南安普顿大学、澳大利亚国立大学等诸多科研院所在该领域展开了研究，目前技术方向主要集中在新型压电材料、振动机理等方面。

南安普顿大学研究小组设计了振动能量采集阵列，可采集频率在50～300Hz 范围的振动，电能产生最大达4mW。UC Berkeley 大学研究出了体积为lcm3的压电式能量采集器，可产生120mW 的稳定电能[4]。

我国在这一领域展开研究较早，重庆大学开展了基于MEMS 可变电容器极化的能量转换技术研究，获得一定成果。此外哈工大、吉林大学、南京理工、南京航空航天大学等高校也在开展新型压电材料及悬臂梁振动能量转换技术的研究[5-6]。伴随着物联网技术的发展，我国对于振动能量采集器件的研究及产品化的需求已经愈发强烈，例如全军武器装备信息采购网在2016年9 月发布了新型微能源器件的预言性课题的招标，其研究内容即包含振动能量采集器件。

由前期市场调查分析可预计，振动能量采集装置由于有使用耐久和环保等优点，可能在将来取代电池为各类低功率无源器件供电。然而目前国内外的振动能转换研究方向大多关注于如何从轻微振动的常规环境中获取能量，而对于本身就存在强烈振动的军事、工业等环境中实用化的能量转换器件却缺少关注。由此导致虽然目前在振动能量转换器件领域开展研究的科研院所和企业很多，但市场上却几乎没有工业化销售的产品。多数技术都处于实验室阶段，或者由于成本、工艺等因素无法规模化生产和应用推广。

3 传统方案

传统的压电式振动能量采集器主要利用的是压电材料正压电效应原理[7]，基本结构如图1所示[8-9]。该结构包含由支撑层（Cu）和上下两层压电片（PZT-5A）组成的压电复合悬臂梁，以及自由端质量块（Ni）。基座受到外界激励P(t)作用。自由端质量块的几何尺寸如图2所示。

图1 压电式振动能量采集器结构示意图

图2 质量块几何尺寸

它的工作原理是:在振动源P(t)的激励下，压电片会有形变，利用压电材料的正压电效应，能够把振动的机械能转化为电能。当外部环境提供交变外力作用时，能量采集器就能处在不断重复充放电的过程中。

4 微型振动能量采集器新设计

微型振动能量采集器是基于压电式能量转换来工作的，其结构示意图如图3所示，侧视图如图4所示。

图3 微型振动能量采集器结构示意图

图4 微型振动能量采集器侧视图

它的主体结构包括永磁铁基座和双线圈悬梁结构。双线圈悬梁结构包括两质量块、四悬梁臂以及设置在永磁铁基座上的框状衬底；两质量块对称设置在框状衬底中部，每一质量块各自通过悬梁臂与框状衬底连接。

双线圈悬梁结构还包括上从下往上依次设置的下电极层、压电薄膜层、上电极层、绝缘层和电极引出层。

下电极层、压电薄膜层和绝缘层覆盖在悬梁臂上并延伸至框状衬底的一边；磁感应线圈/上电极层覆盖在质量块和悬梁臂上并延伸至框状衬底，磁感应线圈/上电极层覆盖在质量块的部分设有磁感应线圈；磁感应线圈端电极引出层与磁感应线圈的端电极连接并通过悬梁臂延伸至框状衬底，实现电磁部分电能的收集。

要在地铁轨道交通中充分利用地铁振动能，要求微型振动能量采集器具备输出电压高、环境适应性强、能量密度和转换效率高等特性，为此，进行如下设计：

①振动能量采集器，通过永磁铁基座和双线圈悬梁结构实现；

②采集器的电源管理系统，包括依次连接的能量采集模块、蓄电池、电源管理模块以及负载。

振动能量采集模块用于把振动能转化成电能并输送至蓄电池进行存储，包括若干分段铺设于地铁轨道下方的微型振动能量采集器；电量监控单元用于监测蓄电池中的电量并根据监测结果向转换开关传送指令；转换开关的输入端一路为蓄电池，一路为电网电源，其输出端与负载连接。

能量采集器利用压电-电磁复合式的工作原理，包含两组悬梁臂-质量块结构。如图5所示为单组弹簧-质量块原理图。其中，k 为螺旋梁弹性系数，m 为质量块质量，c 为阻尼系数。

图5 动力学振动模型原理图

该系统所受到外部激励振动位移为：

式中，X 为永磁铁基座振动振幅值，ω 为振动圆频率，t 为时间。

对式(1)求二阶导数：

质量块与永磁铁基座的相对运动位移为z(t)，假定y(t)为质量块偏离平衡位置的位移，则z(t)表示为：

进行求导，得：

再求导，得：

由牛顿定律分析其平衡问题，有：

将式(5)代入公式(6)，有：

将式(2)代入公式(7)，可得到：

能量采集器受到外部周期性机械振动带动而发生受迫振动，即采集器在外界激励下进行稳定周期性运动，则z(t)可以表示为：

式中，Z 是相对位移振动幅值，θ 是 x(t)与 z(t)间的相位差。

同理，对式(9)求导，可得：

再求导，可得：

质量块受到的作用力可表示为：

结合式(8)与式(9)，Z 和 θ 能够表示为：

有研究表明，当微型振动能量采集器工作在共振状态下能量转换效率最高[10]。设计中的两组并列悬梁臂-质量块结构，与单组弹簧-质量块相比，工作频带明显拓宽。其共振频率的下限为两组悬梁臂-质量块中的最低者，上限为两组悬梁臂-质量块中的最高者。共振时质量块有最大的振动幅度，压电模块输出最大电能。不考虑电极层和绝缘层对整体结构的影响，设置微型振动能量采集器的外边框尺寸为12.4mm×12.4mm×0.4mm，内边框尺寸为10.0mm×10.0mm×0.4mm，质量块尺寸为 2.2mm×2.2mm×0.3mm，悬臂梁宽度为 500μm，厚度为 40μm，PZT 压电层厚度为3μm，此时能量输出功率最大。

将磁感应线圈设置于质量块上，在外部环境激励下质量块带动线圈振动；当外部环境有振动时，通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。

以此种方式实现能量转换，有着较高的输出能量密度。当环境激励器件振动时，按照正压电效应，其上下表面产生电势差；与此同时，质量块带动磁感应线圈振动，产生感应电动势。

5 数据采集、分析与仿真

影响压电式振动能量采集装置发电性能的因素除了振动能量采集装置本身的结构形式、能量收集电路及相关设计参数之外，还有压电振动能量采集装置所处的外部环境，因此基于振动频谱的基本特性来设计悬臂梁的结构，基于采集数据进行数据分析，包括：

1)不同行驶速度下振动频率的变化；

2)不同厂家、型号轴箱的振动频率区别；

3)不同方向上振动分量及能量密度。

以此，建立数学仿真模型，基于实采数据开展仿真分析。在前期实采数据基础上利用ANSYS 有限元分析软件对振动能量采集器件进行模拟设计，仿真的结果达到一定的设计期望值。

如前所述，振动能量采集器件的性能主要从以下几个方面衡量：

a.结构的固有频率，须与振动源的频率相同；

b.器件的电压输出，须达到指标才能存储直流电；

c.功率输出，是体现器件价值的核心性能。

固有频率、电压输出、功率输出与结构参数皆有紧密的关系。器件结构参数主要包括悬臂梁长度、宽度，硅层厚度，PZT 压电层厚度、质量块大小等。

压电悬臂梁振动能量采集器件的转换功率的大小，与材料特性、结构尺寸、振动位移、振动频率等因素都有关系。

对压电悬臂梁结构进行仿真分析，以研究结构尺寸对器件整体状态的影响。过程如下：

1.几何模型的建立

压电悬臂梁振动能量采集器件的基本构成是由支撑层（铜薄片）、压电PZT 层、上下电极功能层以及悬臂梁端的质量块（如果有）组成，在设计的结构上建立压电模型。输入压电模型需要的介电系数（即介电常数）、压电矩阵和弹性系数矩阵等材料属性。

2.模态分析

模态分析（modal analysis）主要在于分析结构的振动特性。结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，每种振型对应不同的固有频率。一阶模态的固有频率最低，模态阶数越高频率就越高，而且彼此间的数值相差较大。在此选取结构的一阶固有频率来展开研究。

3.谐响应分析

压电悬臂梁设计为固有频率与载荷频率相同。重点研究在外加激励下结构对不同频率载荷的响应，特别是分析在谐振点的响应输出值。通过谐响应分析，可了解不同结构参数下发生谐振时的相应压电电压等，并评估尺寸因素对结构谐振频率、电压、功率的影响。

可在前期仿真结果的基础上研制器件验证样品，基于振动台和现场实测，研究器件的输出电压、振动效率和输出功率等影响因素。根据测试结果对器件的压电材料结构进行优化设计和测试，在器件小型化基础上综合输出电压、振动效率和输出功率等因素，实现平衡的优化设计。

6 结 束 语

经过新的设计实现的一种基于压电式能量转换地铁轨道交通的微型振动能量采集器，主要在能量转换方式和器件结构上做出改进，确保了振动能的持续高效转换，因此解决了因缺乏适用的器件，而在地铁轨道交通中任由地铁振动能无谓耗费的问题。此举不仅节约了能量，也减少了能量存储和输送的成本，并且在实现机械能与电能转换的同时，可以有效减少地铁隧道中振动对建筑结构造成的损伤，因此具有极大的现实应用意义和推广价值。