振動能量俘獲專題序

周生喜 陶 凱 秦衛陽

* (西北工業大學航空學院，西安 710129)

? (西北工業大學機電學院，西安 710129)

** (西北工業大學力學與土木建筑學院，西安 710129)

近年來，隨著微機電系統、智能感知、片上系統和邊緣計算等信息技術的快速發展，物聯網、體域網、車聯網、可穿戴電子設備等技術已廣泛應用在智能制造、精準農業、現代生物醫療、生態環境監測、軍事裝備、智慧城市和交通等領域，并將在未來人工智能時代發揮重要的作用.這些智能網絡由大量靜止或移動的無線傳感節點構成，它們可以實現物理信息感知、處理、存儲和數據傳輸的功能.隨著無線傳感節點向著智能化和多元信息融合化發展，電能需求急劇增加，需要頻繁地更換電池.然而，隨著智能網的規模不斷擴大和性能持續提升，無線傳感節點的數量急劇增加，布置的區域和環境也更加廣泛和惡劣，使得無線傳感節點更換電池變得極為困難.因此，使用傳統傳感器的電池供電方式已成為制約智能網快速發展的重要因素之一.

為解決無線傳感節點的供電問題，振動能量俘獲技術應運而生.振動能量俘獲(英文為vibration energy harvesting，中文也可翻譯為振動能量收集/采集/捕獲等)是指通過能量轉換器件(壓電材料、磁性、靜電材料等)將環境或者宿主結構中的部分振動能量轉換為可用能量(通常是電能)的過程，不僅能減弱宿主結構的有害振動，還可為低功耗微機電設備和無線傳感器供電，以期進一步實現物聯網的自供電，對實現在線智能健康監測及物聯網的發展起著促進作用.目前，振動能量俘獲已成為國內外研究熱點之一.

振動能量俘獲技術需要進行多學科交叉融合，只有能量俘獲結構與外接電路協同工作并形成自供能系統，才能將環境或宿主結構的振動能量最終高效地轉化為無線傳感網絡長久穩定的電能.通過解決一些非常棘手的力學難題，振動能量俘獲系統的效率可以得到有效的提升，這其中包括能量俘獲結構設計、動力學建模、理論分析、力電耦合機理的研究等.這是振動能量俘獲技術在各個學科應用中所面臨的挑戰，同時也是一個共同發展、相互促進的機遇.通過突破振動能量俘獲技術的瓶頸，將能量俘獲推向更廣的商業應用平臺.

為了提高振動能量俘獲系統的效率及其實用性，需要解決一些基本問題，包括:(1)如何設計與環境或宿主結構振動特征相匹配的能量俘獲結構？(2)如何建立振動能量俘獲器的精確動力學模型？(3)如何揭示其中的力電耦合機理？(4)如何高效存儲振動能量俘獲器產生的能量？圍繞上述問題，《力學學報》組織了“振動能量俘獲”這一專題.由于篇幅限制，該專題包含了3 篇綜述論文和11 篇研究論文，從側面反映了國內科研人員在該方向上的一部分最新研究進展，供讀者參考.

西北工業大學楊濤和周生喜、哈爾濱工業大學曹慶杰、上海交通大學張文明、哈爾濱工業大學(深圳)陳立群撰寫了非線性振動能量俘獲技術若干進展的綜述論文.首先，綜述了非線性振動能量俘獲技術近十年的研究進展，主要包括振動能量俘獲結構設計理論、非線性寬頻機理、動力學分析等方面的研究現狀.其次，闡述了振動能量俘獲與振動抑制一體化的主要研究成果，包括非線性準零剛度和非線性能量匯在振動能量俘獲領域的應用.最后，總結了振動能量俘獲系統的外接電路和主動控制策略的優化設計，分析了進一步提升非線性振動能量俘獲效率的方法.

鄭州大學李申芳和王軍雷、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林綜述了利用摩擦納米發電機的流體能量俘獲的最新進展.介紹了流體能量俘獲摩擦納米發電機(FEH-TENG)中的電荷轉移原理以及基本工作模式，總結了FEH-TENG 在風能、流致振動能量以及在液體包括波浪和雨滴動能俘獲的研究進展.同時介紹了FEH-TENG 的混合能量俘獲系統、摩擦電材料優化以及FEH-TENG 在不同領域中的應用.討論了目前FEH-TENG 在流體能量俘獲中存在的問題并提出了展望.

西北工業大學陳楠、劉京睿和魏廷存撰寫了關于振動能量俘獲電能管理電路的綜述論文.基于壓電振動能量俘獲器的機電模型，詳細分析了多種壓電振動能量俘獲器的電能管理電路的優缺點.針對壓電振動能量俘獲器的特點，分析了實現最大能量俘獲的幾種典型控制算法，包括最大功率點跟蹤、阻抗匹配和同步電荷提取控制算法.通過對面向壓電振動能量俘獲器的電能管理電路的全面分析和綜述，揭示了該領域目前存在的瓶頸問題，并展望了其未來發展方向.

湖南工程學院鄒鴻翔、郭丁華、甘崇早和魏克湘，湘潭永達機械制造有限公司唐曙光、袁俊，上海交通大學張文明撰寫了磁力耦合道路能量采集設計與動力學分析的研究論文.提出了一種磁力耦合道路能量采集設計，通過引入磁力進行無接觸能量傳遞，減小了裝置受到的沖擊并使得裝置具有良好密封性，從而提升裝置的魯棒性，實現對道路車輛機械能的可靠采集.同時，通過設計升頻和單向旋轉機構提高了系統的電學性能.所提出的設計可以為成為未來智慧交通系統的重要組成部分，俘獲車輛機械能為交通環境中小型機電系統提供可持續的綠色無碳電力.

上海大學孟瑩、丁虎和陳立群撰寫了考慮附加質量接觸面積的壓電圓板能量采集器振動分析的研究論文.他們基于廣義哈密頓原理建立了帶附加質量塊的壓電圓板能量采集器的機電耦合方程，并采用伽遼金法對該方程近似離散，進而得到電壓、功率輸出和最優負載阻抗的閉合解.用有限元軟件驗證理論模型正確性.數值分析表明，相較于無孔的壓電片，壓電片內徑的合理選擇可以提高能量采集器的采集性能.當質量塊與復合板的接觸半徑足夠小，質量塊與復合圓板的接觸面積可以忽略.

上海交通大學趙林川、劉豐瑞和張文明，湖南工程學院鄒鴻翔和魏克湘撰寫了壓電與摩擦電復合型旋轉能量采集動力學協同調控機制研究的論文.他們提出了一種動力學協同調控機制用于低轉速下旋轉能量采集，實現了壓電與摩擦兩種機電轉換機制分別在振動和碰撞過程協同發電，提高了旋轉能量采集系統的電學性能，為能量采集系統動力學和電學性能改進提供新的途徑，可以為物聯網中的傳感器提供零碳環保、靈活便捷、可持續的電能.

上海大學趙龍、陸澤琦、丁虎和陳立群撰寫了低頻振動隔離和能量采集雙功能超材料的研究論文.他們通過周期性放置轉動能量采集諧振器，設計產生了局域共振帶隙.建立了局域共振雙功能超材料梁的動力學模型，解析、數值和實驗綜合研究了振動隔離和能量采集雙功能超材料的能帶結構和頻響，分析了不同參數對一維/二維超材料帶隙特性的影響.發現了在局域共振帶隙頻率范圍內，宿主結構振動被有效抑制;同時振動被局限在諧振器中，進而感應電壓達到最大值.

西安交通大學張穎和曹軍義、鄭州大學王偉撰寫了多穩態非線性俘能系統的磁力建模和性能優化的研究論文.他們建立了多穩態俘能系統的磁力模型，準確表征了不同結構尺寸參數條件下的系統非線性特征.同時，實驗測量驗證了該模型相對于傳統方法能夠更準確地表述多穩態系統的磁力，并探究了系統穩態臨界點的位置以及不同結構參數條件下的系統俘能輸出，實現了多穩態俘能輸出性能的結構參數優化.

西安科技大學張旭輝、陳路陽、陳孝玉、徐冬梅、朱福林和郭巖撰寫了基于線形與拱形組合梁式壓電俘能器動力學建模與俘能特性分析的研究論文.面向煤礦井下采掘設備激勵環境，設計了一種線形-拱形組合梁式三穩態壓電俘能器，建立了動力學模型，分析壓電俘能器磁鐵間距、激勵強度對動力學特性的影響.并通過實驗驗證了理論分析的準確性，研究表明:選擇合適的磁間距可使系統在低水平激勵下實現大幅響應，有效提高俘能效率，研究為低頻激勵下壓電俘能器的設計提供了理論指導.

中北大學李海濤、曹帆、任和，上海大學丁虎、陳立群撰寫了流致振動能量收集的鈍頭體幾何設計研究研究論文.他們實驗研究了不同截面下鈍頭體以及它們的寬厚比(W/T)對流致振動能量收集特性的影響，并通過計算流體力學分析了尾流特性.發現當鈍頭體截面為矩形時，增大寬厚比可以通過馳振顯著提高電壓輸出峰值;當鈍頭體為三角形和D 形時，增大寬厚比將使系統呈現“馳振”→“馳振+渦激振動”→“渦激振動”響應特性變化趨勢，提高了低風速時的能量收集效果.

哈爾濱工業大學田海港、單小彪、張居彬、隋廣東和謝濤撰寫了翼型顫振壓電俘能器的輸出特性研究的研究論文.提出了一種新穎的翼型顫振壓電俘能器.基于非定常氣動力模型，推導了翼型顫振壓電俘能器流、固、電耦合場的數學模型.建立了有限元模型，模擬機翼的沉浮與俯仰二自由度運動，并獲得機翼附近的渦旋脫落和流場特性.表明交替的壓力差驅動機翼發生了二自由度沉浮與俯仰運動.可獲得的最大輸出電壓為17.88 V 和輸出功率為1.278 mW，功率密度為7.99 mW/cm3.

西安電子科技大學郭紀元、樊康旗、張妍、楊雨森和馬曉宇撰寫了線繩驅動轉速提升式低頻俘能器的設計與研究論文.采用線繩驅動轉軸結構將低頻振動轉換為雙向旋轉運動，再通過剛度可自動改變的撥片和磁齒輪升速機構將雙向旋轉運動轉換為轉速更高的單向旋轉運動.建立了俘能器的機電耦合動力學模型，理論結果與實驗結果有較好的匹配.研究發現，通過引入2.5 倍轉速提升功能的磁齒輪，俘能器的輸出功率提升了143%.

西南石油大學和工程安全評估與防護研究院趙翔、西南石油大學李思誼、西南交通大學李映輝撰寫了基于振動能量俘獲的彎曲結構損傷監測的研究論文.利用格林函數法建立了含多裂紋的懸臂式曲梁壓電俘能器在強迫振動下的動力學模型，并考慮了阻尼對模型的影響.對該力電耦合振動方程解耦后，得到該模型的輸出電壓，同時提出逆方法，即根據由振動引起的俘能器電壓與頻率關系來監測曲梁結構中的損傷情況.

南京航空航天大學劉軒、吳義鵬、裘進浩和季宏麗撰寫了基于反激變壓器的壓電振動能量雙向操控技術的研究論文，從接口電路角度分析并實現了提高壓電振動系統機、電能量轉化的優化控制方法.該方法巧妙地利用了反激變壓器原、副邊能量轉換特征，結合簡單的同步開關控制算法，同時實現了用于壓電振動能量收集的機電能量轉化，以及用于壓電結構振動控制的電機能量轉化.借助接口電路的調幅、調相功能，壓電系統的電壓和結構振動速度可以始終保持相同的相位，相比于被動式壓電電荷能收集和主動式壓電振動控制，所提出的技術方案具有更高的振動能量收集或控制效率.