- 文献综述（或调研报告）：
近年来，物联网、智能制造等技术关于可再生能源的需求推动了能量收集技术的兴起。能量收集技术可以分为宏观和微观两种，具体取决于要收集的目标功率。其中微观尺度的能量收集技术专注于成为常规电池的替代品。电子设备和无线传感器通常使用常规电池作为电源，但是电池的使用寿命有限，并且与设备的使用寿命相比非常短。因此，电池的容量，更换，成本和维护是长期运行设备的主要限制。电子器件的快速发展导致其体积和功耗都不断减小，这使得从环境中吸收能量的实现自供能的微机电系统成为可能。[1][2]
能量收集材料和系统已经成为一个重要的研究领域并且发展迅速。能量收集器应用广泛，包括用于结构健康监测的分布式传感器结点、用于医疗的嵌入式传感器结点等。而能量收集技术的能量来源广泛，可能是振动，温差，轻流体，风和射频辐射等。其中振动因为在实际环境中功率密度大且来源丰富，而成为最常见的能量收集来源。在基于振动的能量收集装置中存在各种类型的智能材料，例如压电材料，压阻材料和磁致伸缩材料。压电换能机制因其高功率密度和压电材料的易用性而受到最广泛的关注。[3][4]
在能量收集器结构中最常见使用的是悬臂梁结构，这种结构依靠振动产生弯曲变形，从而使压电层产生电压输出。近年来有很多关于悬臂式能量收集器的研究。Ong[5]等人提出并使用了两级多模态设计的方法，通过一级系统的振动冲击激励二级系统，在降低了系统工作频率的同时增加了系统工作带宽。Yang[6]等人在两个具有近似共振频率的悬臂梁的尖端使用弹簧进行弹性耦合，当结合这两个由尖端质量控制不同谐振频率的压电悬臂梁时，观察到更宽的工作带宽。Kim[7]等人通过将旋转自由度引入到系统中，提出了两个压电悬臂梁共享一个质量块的模型。实验表明如果两个悬臂的模式的非常接近，则与单个压电悬臂器件相比，在55V/g的输出电压同时可导致带宽增加280％。Zheng[8]等人提出了一种非对称的悬臂结构，两个非对称的悬臂共用一个质量块，用于基于振动的能量收集。该模型的优点在于它能够产生更高的交流电压，从而导致更大的交流到直流电压转换效率。Roundy[9]等人比较了矩形和梯形悬臂梁的能量收集能力。研究表明，与矩形相比，梯形梁的应变更高，尤其是从中间点到自由端。使用相同的PZT体积，梯形梁设计可以提供两倍以上的功率。
常见的悬臂梁结构一般视为具有线性特性，线性特性的问题在于如若激励频率稍微偏离结构的谐振频率，则压电效应产生的电压会极大程度上的下降，仅能在很窄的频带内产生较大的振幅。然而环境中的振动往往是随机振动，因此线性结构的应用性较差。
为了解决上述问题，大量关于非线性结构的研究被报道[10][11]。其中一个方法是可以使用线性收集器阵列，即通过集成多个不同谐振频率的能量收集器，以达到增加工作频率带宽的目的。但是在特定频率往往只有阵列中的一个能量收集器工作，使得整体系统的能量收集效率低，且多个能量收集器占用空间较大。另外一个方法是使用非线性结构，非线性结构可以通过外部施加外力或者使用特殊的机械结构来实现。
Ferrari[12]等人为双稳态非线性悬臂梁结构建立了通用的物理数学模型，定性地计算出双稳态结构的能量函数关于位移的曲线。他们根据上述模型，提出了一种利用磁场即引入磁场外力的悬臂梁双稳态结构。使用MATLAB进行模拟仿真，包括该双稳态结构在白噪声的激励下产生的位移（时域）和该结构的能量频谱（频率）。分别从宏观尺度和微观尺度制备了两种结构进行上述理论的实验验证。
然而，引入外界磁场对于很多通讯传输节点的传感器有影响，且很难在微纳尺度实现集成磁铁的工艺。Cottone[13]等人提出了一种通过施加轴向力使悬臂梁产生形变，达到双稳态结构，从而增强频率带宽的方法。他们对上述模型进行了理论分析并进行了数值模拟，制备了结构进行上述理论的实验验证，并探究了振幅、输出电压、输出功率与压缩位移、激励加速度、负载之间的关系。
上述两项研究的非线性能量收集器都是因为会施加外部非线性力或负载等原因，结构硬化故受到变形上的限制。可以增大能量收集，但是对环境激励的能量密度要求较高，即只有在较高的加速度激励下才能正常工作。Leadenham和Erturk[14][15]等人提出并制备了一种M形的能量收集器结构，并建立了该结构的物理模型。他们针对非线性微分方程 (机电耦合方程)引入了一种简化并解决的方法-谐波平衡法(Harmonic Balance Method)。然后通过部分静力学实验获取上述模型的参数值，并分别用时域的方法和谐波平衡法进行非线性动力学仿真和模拟。最后进行动力学实验验证对比分析，并讨论谐波平衡法高频谐波对实验的影响。
总的来说，能量收集技术当前的主要局限性在于收集器产生的低功率和窄带宽。绝大部分研究的功率输出还暂时不足以操作目标电子设备。考虑到工作环境和应用领域，能量收集技术最终将需要具有更大范围的工作频率带宽，尤其是低频段。因此，无论是对可用的还是对能量收集结构提出的重大改进，是为显着增强功率输出所需的新型收集方法，还是从参数优化的角度提高器件低频段动态响应，都是能量收集技术未来研究的发展方向。
参考文献：
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