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摘要：线性压电能量收集装置是将日常环境中所产生的振动机械能转换为电能的一种绿色节能装置，旨在为当前WSN技术中的无线电传感器提供持续不断的能量。线性压电能量收集技术的特点是最优能量输出在接近结构的基频，常用的技术手段是让线性压电能量收集装置尽可能的接近结构振动频率以达到共振状态，从而使其输出效率最高。本文详细介绍了国内外学者在线性压电能量收集装置结构设计上的变化与创新。为从事压电振动能量收集的研究人员提供思路。
关键词：线性压电能量收集装置；WSN技术；无线电传感器；结构设计
1.引言
近年来，随着微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、集成电路技术和无线传感网络技术的快速发展，小尺寸及低耗能的微电子设备的研究取得了巨大的进步。自上世纪六十年代，无线传感网络技术（Wireless Sensor Network，WSN）得到了飞速的发展。作为分布式传感网络的重要技术，WSN技术系统的末端由多个传感器组成，实时监测外部环境情况。传感器通过无线网络通信传输数据，分析外部环境情况。越复杂的环境情况，就需要越多的无线传感器节点，大量的无线电传感器需要一定量的电能来维持实时的工作[1-2]。
但是，微电子设备由于尺寸较小，其携带的传统的化学电池是十分有限的，也就导致了无线传感器定期要进行电池更换。在一些恶劣、复杂的野外环境中，更换传感器的化学电池需要大量的人力。对此是十分不经济也不安全的。
振动作为自然界的常见现象。将振动能量转换为微电子设备所需要的电能是一种经济、环保的做法。为此，科学家们在近几十年对振动能量的转换及其收集利用展开了大量的研究。经典的压电振动能量收集器是悬臂梁式的结构，由弹性金属层层、压电层及自由端降频重物组成。其中压电层的材料繁多，代表性的诸如压电陶瓷（Lead Zirconate Titanate，PZT）、压电聚合物（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）、宏纤维压电复合材料（Macro Fiber Composites，MFC）等。
2.线性压电振动能量收集技术研究现状：
线性压电能量收集装置是将日常环境中所产生的振动机械能转换为电能的一种绿色节能装置。线性压电能量收集技术的特点是最优能量输出在接近结构的基频，常用的技术手段是让线性压电能量收集装置尽可能的接近结构振动频率以达到共振状态，从而使其输出效率最高。
2008年Erturk和Inman[3]基于欧拉-伯努利梁完成了线性压电振动能量收集器的模型建立（结构表面粘贴一层压电层）。在时间维度上，基础运动的模式不一定严格遵照谐波的规律，同时还有平移和小幅的转动，如图1所示。将一般解简化为基础运动的具体情况。
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图1 基础存在平移和转动的压电振动悬臂梁模型
Erturk还将设计的压电振动能量收集器应用在飞行器上，研究了用于能量收集的压电气动弹性的概念。研究重点放在压电气动弹性翼型颤振边界处产生电能问题的数学建模和实验验证。Lee等人将压电悬臂梁结构与电磁式发电结构结合在一起，设计了基于压电和磁电效应的能量收集器，如图2所示。悬臂梁是双晶压电材料，在悬臂梁的自由端固定永磁铁，并在永磁铁附近布置线圈。在悬臂梁运动的过程中，自由端磁铁可以切割磁感线从而产生电能。
Shahruz[4]为了拓宽能量收集装置的频率范围，将多个固有频率相近的单悬臂梁进行组合成一种单悬臂梁阵列式结构，研究的单悬臂梁阵列式结构如图3所示。Shahruz 在研究中建立了单悬臂梁阵列式结构的理论分析模型。通过研究表明，设计单悬臂梁阵列式结构时，为达到扩展频带的目的，应满足两个条件：① 结构中各单悬臂梁的固有频率有细微差别；② 各单悬臂梁频率响应的无穷范数应基本相同。国内哈尔滨工业大学的袁江波等根据上述理论通过实验研究了具有 8 个单悬臂梁的单悬臂梁阵列式结构的响应频带。研究表明，根据上述理论所设计的单悬臂梁阵列式结构其谐振频率的变化范围为56～72 Hz。
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图2 压电和电磁式混合能量收集器
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图3单悬臂梁阵列式结构示意图
3.未来发展趋势及建议：
（1）线性压电振动能量收集装置技术大都采用悬臂梁式的压电能量收集结构，由于诸多研究中压电层的选择大部分局限于压电陶瓷中的常规型号，最大收集功率很难有大幅度提升，研究更高效的压电材料是未来的发展前景。
（2）线性压电振动能量收集装置技术的结构性也可以多方面探索，不仅仅局限于传统悬臂梁模式，为了提高收集功率，新的结构形式需要大量研究。
（3）传统的线性压电振动能量收集装置技术能量收集的特点最优能量输出在接近结构的基频。在日常的振动环境中，振动频率多样且范围较大，如何提高收集频率的范围需要更多的探索。
参考文献：
[1]Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine，2002，40（8）：102-114.．
[2]Yick J，Mukherjee B，Ghosal D.Wireless sensor network survey[J].Computer Networks，2008，52（12）：2292-2330．
[3]Erturk A，Inman D J.On Mechanical Modeling of Cantilevered Piezoelectric Vibration Energy Harvesters [J].Journal of Intelligent Material Systems & Structures，2008，19（19）：1311-1325．
[4]Shahruz S M．Design of mechanical band-pass filters with large frequency bands for energy scavenging [J]．Mechatronics，2006，16：523 － 531．