国内外研究现状和发展动态
随着社会发展，人们进入了“互联时代”，无线传感网络得到大力发展。无线传感网络以其低成本、分布式、低功耗和自组织等特点得到了迅速广泛应用。但是无线传感网络节点的发展遇到了瓶颈，那便是供电问题。传统的节点供电基本采用化学电源或者直接连接外电源进行供电，但是无线传感网络的分布一般是比较复杂或者条件苛刻，有些无线传感节点一次性植入环境中之后基本无法更换化学电源（汽车轮胎的胎压传感装置），而自身携带的电能是有限的， 一旦耗尽，该节点就只能弃用，这将对整个传感网络产生不良影响， 造成了资源浪费。因此，最大程度的为无线传感网络节点供电成为有效延长节点使用寿命的重要途径。
延长无线传感网络节点的供电时间，最直接的办法是增加化学电源的容量，此外也有学者提出无线传感器网络能量收集技术, 可以直接从无线网络传感节点的环境中采集能量转换为电能。环境中最常见的光能、热能、风能甚至电磁波辐射能与微小的振动均可以被收集起来转换为电能，然而在某些情况之下风能、太阳能、热能等均不稳定，在室外太阳能可以提供15000 µW/cm3的能量密度，然而在室内就只能是降低到10~20 µW/cm3，显然这对于传感节点稳定供电是不允许的[1]。因此我们要寻找一种不确定性相对较小的能量源，振动便是一种无处不在的运动形式。小到风吹草动、人们的日常生活，大到海洋中波涛汹涌的波浪、自然界中的地震都是在以不同形式振动。如果把环境中振动产生的能量收集起来并转换为能够为无线传感网络供电的电能, 不仅能延长节点的使用寿命, 而且能大量减少化学电池对环境带来的环境污染。因此，振动能量的采集自供电装置更具有实用性。
振动能量采集装置是一种利用环境中振动能量进行发电的装置。目前国内外研究的振动能量采集装置按其收集原理，主要可以分成三类：静电式、压电式、电磁式。电磁式振动能量采集装置是基于法拉第电磁感应定律，当外界发生振动时，使磁铁与线圈发生相对运动致使通过线圈的磁通量发生变化，便可以进行能量采集。电磁式能量采集装置的输出功率主要与装置尺寸、结构、材料特性等因素密切相关，能量转换结构的主要元件为永磁体和线圈。电磁式能量采集装置微型化后会导致动子（或者动线圈）的振幅减小，从而大大降低环境能量俘获并转换成电能的能力。虽然电磁式振动型能量采集系统存在某些缺陷，但电磁式能量采集系统因其输出电流功率较大、对材料没有硬性要求，同时无需要启动电压，经济效益高以及能适应宽频等特点获得了较大的进展[2]。
微型电磁式振动能量收集器最早是由英国Sheffield大学的研究小组提出，并且建立了电磁式振动能量采集的输出模型，结构如图 1所示。聚酰亚胺薄膜的厚度为7μm，永磁体的体积为1mm×1mm×0.3mm，质量为2.4×10-3kg。基于底座硅圆片上制作平面线圈，线圈通过剥离2.5μm厚的溅射金层形成，其参数为宽度20μm，间距5μm，匝数13。完整的结构整体尺寸约为5mm×5mm×1mm。理论分析得到振幅为±50 μm，振动频率为70Hz时将产生1μW的功率，而在频率为330Hz时将产生大约330μW的功率。实验测试结果表明，当激振振幅为0.5μm，激励频率为4.4kHz时，在加速度为382m/s2，采集装置的感生功率为0.3μW[3]。
图 1 英国Sheffield大学提出的电磁式发电器截面图
振动具有高能量密度且微型振动发电机可以无限、持续地作为低功率自供电设备（传感器等）提供电能[4]。文献[5]中提出了一种采集低频环境下振动的抗磁悬浮振动能量采集器，当热解石墨距离悬浮永磁体的位置不同时，系统对外界的频率响应不相同。并通过仿真分析，当系统受到外界的加速度为6.25 m/s2，频率输入为2~12 Hz，线圈产生最大感应电动势145 mV，最大输出功率为19.7μW。王佩红、鲁李乐等人[6]设计了一种结构新颖的振动能量采集结构，其体积大约为200 mm3。测试表明：在加速度为3g (g=9.8m/s2)的外界输入冲击下，负载两端的交流电压峰峰值为32.5mV。
李伟、车录锋等人[7]基于微机电系统（MEMS）设计了一种结构新颖的横向电磁式振动能量采集器，能量采集器尺寸为7.2 mm×6.0mm×2.3mm。测试表明质量块一弹性梁振动系统的一阶固有频率为241 Hz；在频率为241Hz、加速度为2.8 m/s2动激励下，负载两端产生的交流电压峰峰值为9.2 mV。杨晓光、汪友华等[8]对振动能量采集装置进行了探索，提出了一种新型的振动发电装置，该装置采用两端固定环形永磁体构成磁弹簧，运动永磁体的内侧和外侧分别缠绕线圈。测试表明，当振动发电装置在振动频率为20Hz，振幅为5mm时，最大输出功率为28.3mW，开路电压的有效值为5.1V。王祖尧等[9]通过引入线性弹簧振子，将单自由度非线性磁力悬浮能量采集器扩展到两个自由度，研究了系统质量比、频率平方比和非线性系数比对增强共振强度、扩大共振区域，也就是提高能量采集的强度和带宽的影响。为提高振动发电机对多方向振动环境的适应能力，刘祥建等[10]研究多方向发电性能问题，可以进一步提高环境能量的采集效率。因此，多方向的能量采集结构设计是有效提高环境中微振动能量俘获途径之一。
通常，科研者都期望能量采集装置的谐振频率与初级环境振动频率匹配，以获得最佳的能量收集性能。 D. Lin等[11]通过在二维空间中向该装置施加磁力来实现频率调谐，使得产生的磁力具有水平分量和垂直分量，期望能量采集装置的谐振频率与初级环境振动频率匹配，以进一步提高装置能量采集效率。文献[12]综述了目前国内外研究者们所提出的各种典型电磁式微振动能量采集方案，但装置基本只能采集单一方向的振动能量，无法很好的采集复杂环境中的多方向振动能量。由此可见，现有电磁式振动能量采集装置主要集中在如何进一步提高环境中的微小振动能量采集的效率。
本项目拟在目前已有的研究基础上，设计一种新型的高效率微动能量俘获装置，并且通过软件分析以及实验的方法获取装置相关参数，并进行再次优化设计。然后基于设计的微动能量俘获装置，使得俘获的机械能转换成为电能并供给微功耗装置使用。
参考文献：
[1] 李梦阳, 董川, 唐翘楚, 徐大诚, 李昕欣.基于振动能量采集器的无源无线传感节点技术研究[J]. 传感技术学报, 2016(08): p. 1260-1266.
[2] 蓝澜, 何青, 赵晓彤, 宋博. 新型微型电磁式振动能量收集器. 2013年中国智能自动化学术会议. 2013. 中国江苏扬州.
[3] Williams, C.B., C. Shearwood, M.A. Harradine, P.H. Mellor.Development of an electromagnetic micro-generator[J]. Electronics Letters, 2001. 148(6): p. 337-342.
[4] 张庆新, 李岩, 林凯, 高云红, 赵树国, 许瑾.MSMA振动能量采集器的设计与实现[J]. 压电与声光, 2016(05): p. 740-743.
[5] 苏六帅, 叶志通, 苏宇锋.微型抗磁悬浮振动能量采集器输出特性分析[J]. 仪表技术与传感器, 2015(04): p. 46-48+83.
[6] 王佩红, 鲁李乐, 戴旭涵, 赵小林.基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器[J]. 功能材料与器件学报, 2008(01): p. 171-174.
[7] 李伟, 车录锋, 王跃林.横向电磁式振动能量采集器的设计与制作[J]. 光学精密工程, 2013(03): p. 694-700.
[8] 杨晓光, 汪友华, 张波, 曹莹莹.一种新型振动发电装置及其建模与实验研究[J]. 电工技术学报, 2013(01): p. 113-118.
[9] 王祖尧, 丁虎, 陈立群.两自由度磁力悬浮非线性振动能量采集研究[J]. 振动与冲击, 2016(16): p. 55-58.
[10] 刘祥建, 陈仁文, 侯志伟.多悬臂梁式压电振动发电机的多方向发电性能[J]. 金陵科技学院学报, 2016(03): p. 1-5.
[11] D. Lin, F.T. Fisher. Analysis of Magnetic Forces in Two-Dimensional Space With Applications for the Tuning of Vibration Energy Harvesting Devices. in ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2015.
[12] 苏宇锋, 张坤, 叶志通, 张鲲鹏.微型振动能量采集器的抗磁悬浮结构分析[J]. 仪表技术与传感器, 2016(10): p. 28-31+36.
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