振動(dòng)能量收集技術(shù)分析文獻(xiàn)綜述隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)社會(huì)觸角——傳感器的功耗得到了較好的控制，采集環(huán)境能量如振動(dòng)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能為傳感器供電使其無(wú)源自驅(qū)動(dòng)工作成為不少科研人員的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[35,36]，地鐵車(chē)輛由于輪軌作用力產(chǎn)生的沖擊而具有豐富的振動(dòng)能量，本文主要對(duì)振動(dòng)能量收集技術(shù)進(jìn)行研究。振動(dòng)能量收集是一個(gè)機(jī)電耦合的過(guò)程，基本原理是外界振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)使得能量收集裝置發(fā)生變形或位移，引起結(jié)構(gòu)電學(xué)量的變化，從而向外輸出電荷。根據(jù)不同的振動(dòng)能量俘獲機(jī)理，常見(jiàn)的振動(dòng)能量收集方式主要有三類(lèi)，分別為壓電式、靜電式和電磁式[37]。1.1靜電式靜電式振動(dòng)能量收集器基于靜電感應(yīng)原理，其主要的結(jié)構(gòu)是可變電容。當(dāng)靜電式振動(dòng)能量收集器受到外界環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，電容兩極板間的距離或者相對(duì)面積會(huì)發(fā)生變化，引起電容的改變，從而使得電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。平板電容器的電容量C為： (1-1)式中，為極板間的介電常數(shù)，為極板相互重疊的面積，為極板間的垂直距離。當(dāng)外界因素改變電容量C時(shí)，電容存儲(chǔ)的電能也會(huì)發(fā)生改變： (1-2)式中，為電容兩端的電壓，為最大電容，為最小電容。若不考慮絕緣以及自放電等損耗，靜電式振動(dòng)能量收集器輸出功率為： (1-3)式中，為環(huán)境振動(dòng)頻率。尹春風(fēng)[38]等人設(shè)計(jì)了一種以聚二甲硅氧烷為彈性材料的微型靜電式振動(dòng)能量采集器，在100Hz，1g的沖擊環(huán)境下，功率達(dá)到39.4μW。靜電式振動(dòng)能量收集器具有較寬的工作頻帶、體積小、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，可以很好的集成到對(duì)部件尺寸有嚴(yán)格限制的微機(jī)電系統(tǒng)中，但是該方式的能量收集器需要外接獨(dú)立電源，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，且輸出阻抗較高，這些缺陷限制了它的使用范圍。1.2電磁式電磁式振動(dòng)能量收集器主要原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，主要由閉合導(dǎo)電線圈和永磁體構(gòu)成。在外界振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)下，閉合導(dǎo)電線圈與永磁體形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起閉合導(dǎo)電線圈所通過(guò)磁通量的變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： (1-4)式中，為閉合導(dǎo)電線圈的匝數(shù)，為通過(guò)線圈的磁通量，為時(shí)間。閉合導(dǎo)電線圈的開(kāi)路電壓： (1-5)式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，為單匝線圈的長(zhǎng)度，為切割磁感線的相對(duì)位移。Lee[39]等人提出了一種結(jié)構(gòu)如圖1-1所示的擺式電磁能量采集器，通過(guò)兩根并聯(lián)的連桿實(shí)現(xiàn)線圈和磁鐵的反向運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)可以有效地縮短感應(yīng)時(shí)間并提高了能量采集器的輸出功率。電磁式振動(dòng)能量收集器無(wú)需外接獨(dú)立電源，較大的輸出電流，但是存在漏磁和能量轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題[40]，閉合導(dǎo)電線圈和永磁體需要占據(jù)的空間比較大電磁式能量收集器的體積往往比較大，很難與MEMS裝置集成。圖1-1擺式電磁能量采集器Fig.1-1Pendulumelectromagneticenergyharvester1.3壓電式壓電式振動(dòng)能量收集器主要是利用壓電材料（壓電陶瓷和壓電薄膜）的壓電效應(yīng)，外界環(huán)境的振動(dòng)激勵(lì)使得壓電材料產(chǎn)生形變，材料內(nèi)部發(fā)生極化并且在外表面產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象，撤去外力后，壓電材料會(huì)重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)。一般用壓電材料的變形方向與極化方向來(lái)劃分壓電材料的不同耦合工作模式，d31和d33是壓電材料常用的兩種耦合工作模式，如圖1-2。d31工作模式是指變形方向與極化方向垂直，變形沿著1方向，而極化沿著3方向；d33工作模式是指變形方向與極化方向平行，均沿著3方向。(a)d31模式(b)d33模式圖1-2壓電材料不同工作模式Fig.1-2Differentworkingmodesofpiezoelectricmaterials表示壓電材料的力學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)關(guān)系的壓電方程為機(jī)電耦合方程，如下所示[41]： (1-6) (1-7)式中，σ1為沿1軸方向上的應(yīng)力；ε1為沿1軸方向上的應(yīng)變；Ep為壓電材料的彈性模量；E3為壓電材料的內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度；D3為在外界激勵(lì)和內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度共同作用下產(chǎn)生的電位移矢量，用電荷密度表征；ε31σ為介電常數(shù)；d壓電式振動(dòng)能量收集器的具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、感應(yīng)電壓高和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)裝置的小型化設(shè)計(jì)，是一種較為理想的收集方式。d31工作模式是壓電懸臂梁常用的工作模式，可由較小的形變產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，從而降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率，使壓電結(jié)構(gòu)與環(huán)境振動(dòng)主導(dǎo)頻率更好地匹配。d33工作模式的壓電材料可產(chǎn)生相比于d31工作模式更高的電壓，且具有較高的能量密度，但是所采用的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，例如Jeon等人設(shè)計(jì)了d33工作模式的插指型結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁[42]。假設(shè)對(duì)d31工作模式的壓電元件施加一個(gè)頻率為、大小為F的簡(jiǎn)諧力，壓電元件的上下表面（1軸方向）會(huì)產(chǎn)生極化，可用電容的數(shù)學(xué)模型求解壓電元件的功率[43]，壓電元件1軸方向上的電流為： (1-8)壓電元件1軸方向上的電壓為： (1-9)那么d31工作模式的壓電元件的功率可表示為： (1-10)式中，d31表示壓電材料的壓電系數(shù)，Cp表示壓電元件的等效電容，εp表示壓電元件的介電常數(shù)，l、b和h綜合以上三種振動(dòng)能量收集方式，壓電式振動(dòng)能量采集方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、感應(yīng)電壓高、無(wú)需外接電源和可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要設(shè)計(jì)成任意的形狀尺寸等的優(yōu)點(diǎn)，因此選用壓電式作為輔助供電裝置的能量收集方式，為了獲得更好發(fā)電性能，要對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)行的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析得到環(huán)境激勵(lì)振動(dòng)主導(dǎo)頻率和能量集中的頻段，使振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)諧振頻率與其應(yīng)用的環(huán)境振動(dòng)主導(dǎo)頻率相匹配。參考文獻(xiàn)[1]高德地圖.城市軌道交通2020年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告[J].城市軌道交通,2021（04）:16-34.[2]百度地圖.2020年度中國(guó)城市交通年度報(bào)告[J].城市公共交通,2021（06）:5.[3]馬亮,郭進(jìn),張曉霞.地鐵車(chē)輛預(yù)防性檢修計(jì)劃優(yōu)化模型與算法[J].鐵道學(xué)報(bào),2016,38（07）:8-14.[4]鄭樹(shù)彬,彭樂(lè)樂(lè),李立明等.機(jī)器視覺(jué)與慣性信息融合的軌道線形檢測(cè)[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2018,38（2）:394-400.[5]劉可安,戴計(jì)生,徐海龍.城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件狀態(tài)修技術(shù)與系統(tǒng)解決方案[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2020（04）:1-7.[6]徐彥偉,蔡薇薇,頡潭成等.變工況下基于信息融合的地鐵牽引電機(jī)軸承故障智能診斷[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2021:1-20.[7]許南南,許浩翔,張章.一種地鐵列車(chē)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)弛緩狀態(tài)診斷方法[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2019（06）:115-117.[8]李廷金,易鐵航,任晶.CRH_5型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)三級(jí)修狀態(tài)研究[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē),2019（04）:35-37.[9]邱新鋒,張穎.地鐵列車(chē)牽引電機(jī)檢修中的異常振動(dòng)分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2019（01）:25-27.[10]何沖,王昕.牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2015,42（07）:26-28.[11]曾貴偉,湯寶平,鄧?yán)俚?機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高精度數(shù)據(jù)采集方法[J].振動(dòng)與沖擊,2016,35（16）:59-63.[12]薛光輝,張昊,王東等.基于ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器研制[J].煤炭工程,2018,50（08）:168-172.[13]郭建康.客運(yùn)專(zhuān)線鐵路橋梁振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2018,58（06）:40-42.[14]BuendiaVictoriaGomez-Guillamon,PodilchakSymonK.,GoussetisGeorgeetal.ASmartCableOfferingSelectiveandDistributedAntennaRadiationUsingRFSwitchesandNon-ConventionalHybridCouplers[J].IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION,2018,66（11）:6346-6351.[15]蔣新花,丁華平,沈慶宏.基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的無(wú)線與有線加速度系統(tǒng)橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)比較研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37（07）:101-104.[16]董辛?xí)F,薛偉,李雄飛,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在振動(dòng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[M].鄭州,2012:458-460.[17]曲素榮,李霞.HX_D2C型機(jī)車(chē)牽引電機(jī)定子繞組接地故障原因分析[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2019（06）:149-151.[18]張世聰.大功率電力機(jī)車(chē)異步牽引電機(jī)的典型故障研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2018,42（02）:122-128.[1