随着微电子设备的迅速发展，非常规电源技术得到越来越多的应用。常规能源电池存在寿命有限、功率效率低以及能量储存能力有限的缺陷。通过从环境中收集能源加以利用的能源采集技术可以有效地克服这些缺点，在偏远地区的传感节点、植入式健康追踪器及生物医学设备等方面有很大应用潜力。与太阳能和热能采集相比，压电所需的振动大多来自环境中的随机振动，不过度依赖于随机不可预测的环境，因此压电技术成为能源采集中发展较快且前景广阔的技术。但传统的压电设备共振频率过高，不易与多数环境中的低频振动源匹配。升频式压电能量采集结构具有工作频带宽、以及低频振动环境中能量采集效率高的优点。碰撞式振动采集器属于升频式压电能量采集结构中的一种，其机构简单、升频效果明显，能显著提高能量采集效率。
据麦姆斯咨询报道，来自上海工程技术大学及上海艾为电子技术股份有限公司的研究人员提出了一种基于碰撞升频的压电能量收集系统，可以将外界低频振动通过齿轮齿条传递给机械振动轴，最后通过机械撞击产生高频振动梁。通过碰撞增大振动梁的振幅，拓宽收集频带进而提高输出电压与收集功率。相关研究成果以“低频环境下碰撞式压电振动能采集器”为题发表在《轻工机械》（Light Industry Machinery）期刊上。
研究人员提出的利用齿轮齿条传动实现升频转换的压电能量采集器的三维结构如图1所示。该采集器由支撑部分、升频部分和采集部分组成。支撑部分包括机架、立柱和底座；升频部分包括齿轮齿条传动部件、齿轮拨片轴、立柱弹簧；采集部分包括压电梁、压电收集部件和盖板。PZT压电陶瓷贴合在基板的上表面形成压电梁。
图1 碰撞式压电振动能采集器三维结构
研究人员所设计采集系统的能量传递是通过低频拨片轴和高频振动梁之间的碰撞实现的。图2表示在1个碰撞周期内拨片梁和压电梁的运动过程，分为碰撞阶段和分离阶段。在碰撞阶段，当盖板受到外界正弦激励后通过齿轮齿条传动将激励等比例传递到拨片轴上；轴选装角度大于预设阈值时拨片与压电梁产生碰撞，压电梁发生形变，由于正压电效应上下电极间产生电势差。碰撞过程中压电梁的位移比拨片小，拨片向上运动时会受到压电梁的限制，使整体刚度逐渐增大从而拓宽频带。在分离阶段，碰撞结束后，拨片与压电梁分离，拨片在弹簧作用下向下回位，压电梁以共振频率做有阻尼的自由振动。通过机械传动与压电效应就实现了外界机械能与收集电能的转化。
图2 单个碰撞周期内拨片与压电梁的运动
为进一步验证所设计收集结构在低频环境下的表现和其拓宽频带的能力，研究人员按照设计搭建了实物样机，在振动试验台上进行试验。所搭建的样机实物及参数如图3及表1所示。搭建如图4所示的实验平台，将信号发生器所产生的正弦激励信号通过功率放大器传递到激振器，将激振器作为外界振动源与上盖板连接，最后通过示波器采集压电梁产生的电压值。考虑到自然环境及所设计的目的为在低频环境下采集能量，因此实验中将激振频率控制在15Hz以下，步长为0.2Hz。
表1 采集器结构参数
图3 样机实物图
图4 实验平台
按照试验方案在实验平台上进行试验，测量压电梁所产生的电压，将实验数据整理绘图如图5所示。
图5 压电梁电压与激振频率
由实验结果可知，输出电压趋势与理论分析相符，一阶共振频率为10.2Hz，自由振动下压电梁的一阶共振频率为11.49Hz，相对应的压电梁产生的电压为1.1V。与实验结果相对比，采集器将采集频带拓宽了11.23%，输出的电压增大了38.2%。
在一阶共振频率之前，压电梁的输出电压随着频率的升高迅速增大，即使在1Hz的情况下，所产生的0.42V电压也远大于梁自由振动所产生的0.016V电压。通过对比，在实验频率下压电梁能产生远大于其在自由振动时所产生的电压且单位频率的电压增长也得到大幅提高。
实验中振动台所提供的振动源由于支架稳定性的影响，不能时刻保证连杆与盖板垂直接触，因此拨片的速度会存在一个随机扰动值αv（t）。这将会导致所测量的共振频率偏高，相应的输出电压偏低，因此收集器实际效果会优于实验结果。
综上所述，研究人员设计了一种可以在低频环境下表现优异的压电能量采集器，并拓宽了其收集频带。采用碰撞方法将采集器进行升频以适应低频环境，采用齿条齿轮传动带动拨片撞击悬臂梁实现动能采集。实验验证表明：所设计的采集器比之常规悬臂梁采集器采集频带扩宽了11.23%，输出电压提高了38.2%。所设计的采集器输出电压在低频时可以实现频繁阶跃，大大改进了压电振动能采集器在低频环境下的采集性能，使其更适宜低频环境下的能量采集。
论文链接：
http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-2895.2022.02.016
延伸阅读：
《压电能量收集和传感-2019版》
《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
