摘 要

随着科学技术的不断进步，微电子制造技术、无线传感器网络系统日渐成熟，相应的低功耗电子元件大量出现，对其供电供能的问题日益突出。传统电池体积大、寿命低、污染严重等不足已经严重限制了传统电池的发展，尤其是在微电子、无线传感系统等领域。据此现状，本文提出了一种压电-磁电复合式能量采集器，该能量采集器能将周围环境的振动中获取能量，并将之转换为电能，具有节能环保、体积小、能够适应复杂多变的环境、不需要经常更换等优点，其功率完全满足低功耗元件的需求。

本文所提出的压电-磁电复合式能量采集器是基于悬臂梁衬底的结构形式。悬臂梁的材料采用不锈钢316，其振动时，其中性面以上受拉压应力，粘接于其上的压电薄膜受拉延长变形或受压缩短变形，产生电势差，经引线外接负载或电源形成闭合回路收集电能。在悬臂梁的自由端下表面粘接有Nd₂Fe₁₄B磁体，下置Au线圈，悬臂梁振动带动磁体振动时，线圈处的磁感应强度变化而产生感应电动势，经引线接入超级电容或其它储能器件来收集电能。

对于振动能量采集系统而言，其核心问题在于如何提高其电能转换效率。其电能转换效率与其接口电路密切相关，对接口电路进行改进和优化，能较大幅度地提高其电能转换效率。常见的能量采集系统的接口电路有外接阻性负载、标准全波整流电路、并联同步开关接口电路三种形式。本文采用第二种，即外接标准全波整流电路，并在负载两端并联一个超级电容，以实现其调节电压改善其电路性能、对负载进行储能或放电以使负载工作稳定。本文在该外接接口电路下，对能量采集系统进行集中参数建模，对其电路性能及输出特性进行分析。

通过对单一压电式俘能器和电磁式俘能器进行动力学建模，完成相关公式的理论推导及MATLAB仿真，表征其输出特性，并将其与复合式俘能器的输出特性进行对比，可以得出复合式能量采集器在谐振频率下功率峰值远高于单一式俘能器的所捕获的功率。另外，其压电-磁电复合式俘能器振动单元中悬臂梁自由端的Nd₂Fe₁₄B磁体充当质量块，大大降低了能量采集系统的固有频率，其第一阶谐振频率为36.74Hz，完全实现了其在低频振动中采集能量的可行性。

关键词：悬臂梁 压电 磁电 能量采集 低频振动

Abstract

As the more progress of science and technology is coming, microelectronics manufacturing technology and wireless sensor network system are becoming more and more mature, and a large number of corresponding low-power electronic components are emerging. The application of traditional batteries in microelectronics, wireless sensing systems and other fields has been severely limited by their large size, low life span and serious pollution. On the basis of the status quo, this dissertation proposes a piezoelectric-electromagnetic energy harvester，it can collect the energy from the surrounding environment. The energy harvester has many advantages, such as: energy saving, environmental protection, small size, and good environmental adaptability. And it does not need to be replaced frequently. More importantly, its power fully meets the needs of low-power components.

The proposed piezoelectric- electromagnetic energy harvester is based on a cantilever beam substrate. PVDF piezoelectric film is bonded on the upper surface of the cantilever beam made of 316 stainless steel. When the cantilever beam vibrates, the tensile or compressive stress is exerted above the sexual surface, and the piezoelectric film PVDF elongates or contracts. Charge is generated on the upper and lower surface of the piezoelectric film, and potential difference is generated on the upper and lower surface. Nd₂Fe₁₄B magnet is bonded on the lower surface of the free end of the cantilever beam, and the Au coil is placed on the bottom of the magnet. The vibration of the cantilever beam drives the magnet to vibrate, and the magnet is close to or far away from the coil. The induced current is generated through the change of the magnetic flux of the coil, and the electrical energy is collected through the lead wire.

As for the energy acquisition system, the key to the question is to improve its energy conversion efficiency. The common interface circuit of the energy acquisition system includes external resistance load, standard full-wave rectifier circuit and parallel synchronous switch interface circuit. In this dissertation, the second type, namely the external standard full-wave rectifier circuit, is adopted, and an ultra-capacitor is connected in parallel at both ends of the load to realize its voltage regulation and improve its circuit performance. And, the energy storage or discharge can make the load work stably. In this dissertation, centralized parameter modeling is carried out for the energy acquisition system under the external interface circuit, and its circuit performance and output characteristics are analyzed.

In this dissertation, the dynamic models of the piezoelectric energy harvester and electromagnetic energy harvester are carried out, the theoretical derivation of the formula and the MATLAB simulation are completed. Their output characteristics are compared with the output characteristic of the composited energy harvester. Then we can draw the conclusion that the peak power of the composited energy harvester under the resonance frequency is much higher than the single energy harvester. In addition, the Nd₂Fe₁₄B magnet at the free end of the cantilever beam acted as a proof mass in the vibration unit of its piezoelectric-electromagnetic energy harvester can greatly reduce the natural frequency of the energy acquisition system. Its first resonant frequency is 36.74Hz, which realizes the feasibility of energy acquisition in low-frequency vibration.

Keywords：cantilever beam piezoelectric electromagnetic energy harvesting low-frequency vibration

目录

摘要 I

Abstract II

1. 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 能量采集器发展现状 4

1.2.1 静电式能量采集器 4

1.2.2 压电式能量采集器 4

1.2.3 电磁式能量采集器 7

1.2.4 复合式能量采集器 8

1.3 研究内容及意义 9

1.3.1 本文所研究的内容 9

1.3.2 本课题所研究的意义 11

1.4 本章小结 11

2. 压电-磁电复合式能量采集器的理论基础 12

2.1 复合式能量采集器压电单元的设计原理 12

2.1.1 压电发电机理 12

2.1.2 压电俘能的结构形式 13

2.1.3 压电方程 15

2.2 复合式能量采集器磁电单元的设计原理 19

2.1.1 磁电发电机理 19

2.1.2 磁电俘能的结构形式 20

2.1.3 磁电方程 21

2.3 本章小结 24

3. 压电-磁电复合式能量采集器的整体方案设计 25

3.1 压电材料的选取 25

3.2 磁电材料的选取 27

3.3 能量采集系统的电路设计 28

3.4 俘能器参数的确定 31

3.5 本章小结 31

4. 压电-磁电复合式能量采集器的动力学建模及分析 32

4.1 能量采集器的等效物理模型及动力学建模 32

4.2 压电式俘能器动力学建模 34

4.3 磁电式俘能器动力学建模 40

4.4 复合式俘能器动力学建模 43

4.5 本章小结 45

5. 压电-磁电复合式能量采集器输出特性的仿真分析 47

5.1 MATLAB仿真及设计思路 47

5.2 负载、频率对压电式俘能器输出特性的影响 47

5.3 负载、频率对磁电式俘能器输出特性的影响 49

5.4 负载、频率对复合式俘能器输出特性的影响 50

5.5 本章小结 53

6. 压电-磁电复合式能量采集器的性能测试与分析 54

6.1 复合式俘能器的制作 54

6.2 振动测试系统 54

6.3 俘能器系统阻尼的确定 55

6.4 复合式俘能器的输出特性 56

6.5 本章小结 59

7.经济性与环保性分析 60

8. 总结与展望 61

8.1 全文总结 61

8.2 未来展望 61

附录A 单一压电/磁电式俘能器MATLAB命令流 63

附录B 复合式俘能器MATLAB命令流 69

参考文献 76

致谢 78

1. 绪论

1.1 研究背景

应新时代的发展需求，科技已渐成第一生产力，随着大量资金和精力的投入，科学技术在不断进步，并在各个领域取得了惊人的突破。而在新时代背景下的互联网技术、无线通讯技术和微电子技术异军突起，日趋成熟。基于上述技术的成熟，无线传感器网络技术日渐完善，应用领域不断扩大。其工作环境复杂多样，能在各种地形和空间内有效工作，诸如矿坑，隧道，真空环境等。其以微型传感器件为触手，感知并获取外界环境的信息，同时对这些信息进行监测、存储、处理、传输 ^[1][2]。无线传感器网络系统是由许多小型模块化单元集成，用以采集作用工作空间内的数据，并加以分析处理和传输。这诸多小型模块又被称为网络节点，仍需要单独供能。如何分别对这些传感器节点提供稳定的电压，是该领域内的一大难题。传统电池（如铅酸电池，锂电池，镍氢电池等）常常作为电源集中供电，即为整个系统供电，或者为系统内的每个单元分散供电。然而这种供电方式因其以下缺陷已不适用于为无线传感器网络节点供电。

传统电池的缺陷：

1、相比于传感器网络节点，传统电池的体积较大，并不再不适用于一些特殊环境；

2、传统电池化学毒性污染严重，且有泄漏可能性；

3、供电寿命有限，或一次性供电时间较短，拆换困难；

4、传感器网络节点数量多，且大多分散布置，采用传统电池，布线困难，成本较高；

因此，为了为这些网络节点供电，我们亟需研发一种有效可行的方案，另一种清洁的新型能源，前辈们经过刻苦的钻研和大量的实验，提出了一种能从环境中采集能量的装置 ^[3]。此外，该研究对便携式电子设施（手环、手表）、恶劣环境下工作的低功耗元件等供能需求也有更大的价值^[4]。能量采集（Energy Harvesting or Energy Scavenging），简单地说，就是一种将周围环境中的不可直接利用的能量转换成可以直接利用的能量的技术。其本质是利用各种物理或化学效应把器件周围环境中广泛存在的光能、热能、振动能、风能等能量转换成可以使用的电能^[5]。

早在17世纪初期，太阳能（Solar Energy）就已经被工程界先驱意识到作为一种新型清洁的可再生能源，并设计一种装置捕捉太阳能，并转换为实际生活中可直接使用的能量。时至今日，有关太阳能应用的技术已相对成熟，普遍使用的有太阳能发电技术和太阳能发热技术，如太阳能光电板和太阳能热水器。太阳能具有普遍、无害、可再生等优点，但也具有不稳定性、受天气影响严重、效率低、费用大等缺点。

众所周知，太阳无时不刻不在向地球辐射能量，当来光能和热能，提供了维持星球运转的必要能量。由于地球的自转和公转以及球体表面，使得太阳的辐射在地球表面并不是平均分布的，因而各地温度差异明显，气压不等，空气产生流动。水平方向的空气流动使其成为一种可收集的能量形式，即风能（Wind Energy）。风能作为一种新兴的清洁能源，生产成本较低，仍具备一些缺陷，比如风速不稳定、转换效率低、天气因素影响较大、受区域限制严重等。

热能（Thermal Energy）是环境中普遍存在的一种能量。基于热电效应，将热能转换成电能自19世纪就已经投入研究和应用了，时至今日，热发电技术已渐至成熟，大至地热发电站，小至微型热电发电机。微型热电发电机应用最成功的例子是日本精工株式会社的热电腕式手表（Seiko Thermic wristwatch）^[6]。

振动能量广泛存在于我们的日常生活中，如人行走产生的振动、桥梁的振动、机车的振动、家用电器的振动等。相比于其他能量，振动能量存在于我们的衣、食、住、行当中，比较容易获取，而且不受季节等因素的限制。

图1-1 所能俘获的不同形式能量的功率密度

图1-1列举了部分不同形式能量的功率密度^[7]。由图1-1以及上述分析可知，室外的太阳能采集技术和振动能采集技术输出功率密度较高，分别为15000μW/cm³和306μW/cm³，但是太阳能在室内的光能功率密度降低至10μW/cm³。图1-2显示了各种电池、太阳能以及振动能作为电源时输出功率随时间（/年）变化的关系^[8]。由图1-2可知，太阳能和振动能能量采集技术是一种稳定的“自供电技术”，其输出功率受时间的影响微乎其微，可忽略不计。然而太阳能因其受天气因素制约等局限性，并不能成为一种高效的替代能源。与之相比，振动能（电磁式）则比较稳定，保持在306μW/cm³左右，是一种更有力的替代方案。

图1-2电池、太阳能和振动能等能源的功率随时间变化的曲线

另一方面，随着对无线传感器节点的不断设计、改进、优化，其所消耗的能量也在逐渐降低，目前某些无线传感器节点产品的工作能耗和睡眠能耗已经降到了毫瓦和微瓦的数量级^[9]。目前市面上已经研发并投产的无线通讯技术有很多，其中应用最普遍的是蓝牙技术，其所消耗的功率平均在40-60mW的范围内，而另一种通讯技术Zig-Bee功耗为15-20mW^[5]。除此之外，还有通讯平台，例如Picoradio ^[1]，它们消耗的功率平均为10-100μW。

因此从周围环境中采集能量的“自供电”技术完全可以满足小型新型电子元器件的功率需求，其中振动能量采集技术相比其他能量采集技术具有莫大的优势。由图1-3^[10]可见，列举的生活中常见的振动源频率多为100Hz，其振动的加速度范围更低。而振动能量采集器只有在外部激励接近采集器系统固有频率时才具有有效的输出^[11],因此需要在采集器结构设计时，降低其固有频率，接近外部环境激励频率。

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