压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势_刘祥建
振动能量收集技术的近况与展望
振动能量收集技术的近况与展望1. 引言1.1 振动能量收集技术的重要性振动能量收集技术的重要性主要体现在以下几个方面：通过有效利用环境中存在的振动能量，可以为人们提供稳定可靠的能源来源，减少对传统能源的消耗，降低环境污染。
振动能量收集技术可以应用于一些特殊场景，如无线传感器网络、医疗器械等领域，实现设备的自动供电，提高设备的可靠性和使用寿命。
振动能量收集技术有助于推动技术创新和产业发展，为社会经济的持续发展注入新的动力。
振动能量收集技术的重要性不仅在于其在能源领域的应用前景，更在于其对环境保护和可持续发展的重要作用。
随着科技的不断进步和社会的发展，振动能量收集技术将会在更广泛的领域得到应用，为人类创造更美好的生活方式。
1.2 振动能量收集技术的应用范围振动能量收集技术的应用范围十分广泛，涵盖了多个领域。
在工业领域，振动能量收集技术可以应用于传感器、机械设备和监测系统中，用来实现自动化控制和智能监测。
在建筑领域，振动能量收集技术可以被应用于楼宇结构监测和智能建筑系统中，为建筑的安全性和节能性提供技术支持。
在交通领域，振动能量收集技术可以应用于汽车、火车和船舶等交通工具中，用来为电子设备供电或为动力系统提供辅助能量。
振动能量收集技术还可以应用于可穿戴设备、智能手机、智能家居等消费电子产品中，为这些产品提供长时间的电力支持。
振动能量收集技术的应用范围非常广泛，未来随着技术的不断发展，其应用领域还将不断扩大，为各个领域的发展带来更多的可能性。
2. 正文2.1 振动能量收集技术的工作原理振动能量收集技术的工作原理是通过将振动能量转换为电能来实现能量收集。
其基本原理是利用压电效应、电磁感应、摩擦等力学原理将振动能量转化为电能。
压电效应是最常见并被广泛应用的原理之一。
压电效应是指在某些特殊晶体（如石英、铁氧体等）受到外力或压力作用时，会产生电荷分布不均匀，从而形成电势差，进而产生电流。
通过将这种压电器件布置在振动源处，振动会使晶体变形产生压力，从而产生电荷，最终将振动能量转化为电能。
振动能量收集技术的近况与展望
振动能量收集技术的近况与展望1. 引言1.1 振动能量收集技术的定义振动能量收集技术是一种利用机械振动转换成电能的技术，通过捕获环境中的振动能量来供电设备或系统。
这种技术的原理是通过将振动的机械能转化为电能，从而实现能源的转换和利用。
振动能量收集技术可以应用于各种场景，如工业设备、移动设备、建筑结构等，可以实现自给自足的能源供应，减少对传统电源的依赖，降低能源消耗。
振动能量收集技术的定义涉及到能源转化和利用的技术领域，它的发展不仅可以提高能源利用效率，还可以减少对环境的影响，符合可持续发展的理念。
随着科技的不断进步和应用的拓展，振动能量收集技术将在未来发挥越来越重要的作用，成为推动能源革新和实现碳中和的重要技术之一。
通过不断的创新和发展，振动能量收集技术有望成为未来能源领域的重要突破口，为人类创造更加智能、绿色和可持续的生活方式。
1.2 振动能量收集技术的重要性振动能量是一种环境中常见的能量资源，存在于各种机械、结构、设备等系统中。
通过振动能量收集技术，可以实现对这些稀有资源的高效利用，有效地提高能源利用效率。
振动能量收集技术可以为一些无法接入传统电力系统的设备和系统提供独立的能源供应方式。
一些远程监控设备、传感器、健康监测设备等可以通过振动能量收集技术获取所需能量，避免了传统电池更换或充电的繁琐。
振动能量收集技术的发展不仅可以为节能减排、环保可持续发展提供新的解决方案，同时也有望促进工业制造、科技创新等领域的进步。
振动能量收集技术的重要性不仅体现在其为个体和社会带来的经济和环境效益，更在于其为能源领域转型升级打下基础，为未来能源供应和能源利用的可持续发展提供了新的可能性。
2. 正文2.1 现阶段振动能量收集技术的发展现状目前振动能量收集技术已经取得了一定的进展，主要体现在以下几个方面：1. 发展成熟的技术：目前，振动能量收集技术已经得到了很好的发展，特别是在微型设备和无线传感器网络中的应用越来越广泛。
振动能量收集技术的近况与展望
振动能量收集技术的近况与展望振动能量收集技术是一种利用机械振动为能量源的技术，其应用领域广泛，涵盖了工业、医疗、军事和消费电子等多个领域。
随着科学技术的不断进步，振动能量收集技术也在不断发展和完善。
本文将对振动能量收集技术的近况进行概述，并展望其在未来的发展方向。
目前，振动能量收集技术已经在一些特定的领域得到了较为广泛的应用。
例如在工业领域，振动能量收集技术可以用于监测和控制设备的运行状态，实现设备的远程监测和维护。
在医疗领域，振动能量收集技术可以用于医疗器械的能量供给，为患者提供持久的支持和监护。
在军事领域，振动能量收集技术可以用于军事装备的能量供给，增强其作战能力和持久性。
在消费电子领域，振动能量收集技术可以应用于智能手表、智能手机等设备，延长设备的待机时间和使用寿命。
近年来，随着传感器、微型发电机和能量管理电路等关键器件技术的不断进步，振动能量收集技术的效率和性能得到了显著提升。
一些新的材料和结构设计也为振动能量收集技术的发展带来了新的机遇。
采用压电材料和利用非线性效应进行振动能量收集的方法，可以大幅提高能量转换效率。
基于MEMS技术的微型发电机和能量管理电路的设计，可以实现更小型化、更高性能的振动能量收集装置。
随着人工智能和大数据技术的发展，振动能量收集技术也可以与这些新兴技术相结合，实现更智能化、更精准化的能量收集和利用。
结合传感器网络和云计算技术，可以实现对振动能量收集设备的实时监测和优化控制。
利用大数据分析和人工智能算法，可以对振动能量的特征进行精准识别和分析，从而更有效地收集和利用振动能量。
未来，振动能量收集技术还将在多个方面得到进一步发展。
振动能量收集技术将向着高效化和智能化方向发展，提高能量转换效率和系统稳定性。
振动能量收集技术将进一步扩大应用领域，涉及更多的行业和场景。
在建筑领域，可以利用建筑物的震动能量为设备供能，实现更环保、更节能的建筑。
在交通领域，可以利用车辆运行时产生的振动能量为车载设备供能，延长设备使用时间。
压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势_刘祥建
最多。因为与其它能量收集装置相比， 压电式装置具 有结构简单、 不发热、 无电磁干扰、 清洁环保和易于微 型化等诸多优点。随着对基于压电材料的振动能量收 集装置研究的广泛展开， 出现了各种各样的压电发电 Cymbal 结构、 装置， 如悬臂梁单晶 / 双晶结构、 叠堆形结 构等。 本文介绍目前振动能量收集常用的压电冲 击
2012 年第 31 卷
给出了其压电性的产生机理。 以压电振动能量收集结 详细报道近几年来国 构的方向性和响应带宽为主线， 内外在压电振动能量收集技术方面的研究动态， 给出 为从事压电振动能量收集 了其研究趋势的几点思考， 技术的研究者提供参考。
2
2. 1
压电振动能量收集装置结构
Current situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvesters LIU Xiangjian，CHEN Renwen
（ Aeronautics Science Key Laboratory for Smart Materials ＆ Structures， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 ，China）
［6 － 19 ］ ［3 － 4 ］ ［5 ］ 、 静电式收集装置 及压电
缺陷将表现得更加明显。 尽管人们运用微机电系统工 艺研制了相应的微能源器件， 比如微太阳能电池、 微锂 电池及燃料电池等， 微太阳能电池虽然可以实现长期 供能， 但其受天气、 应用场合所限制， 而锂电池及燃料
等， 其中以压电式收集装置的研究为
［30 ］
振子由 直 径 为 25 mm 压 电 层 与 圆 形 铜 薄 片 粘 贴 而 2． 58 kHz 振 动 频 成。实验研究 表 明， 在 2 g 加 速 度、 1 MΩ负载情况下能产生 24 V 电压， 率、 在相同频率、 56 kΩ 负 载 情 况 下 最 大 输 出 电 能 为 加速度 条 件 下， 1． 8 mW。
压电式能量捕获装置的开发现状及发展趋势
１ 言 引
多来源 、 无污染 的再 生能源是现在和未来世界科技发展的战略重
２ 电式能量捕获装 置的应用现状 压
压 电式视线导 航标识是 由 日本 Ｎ ＣＴ Ｋ Ｎ和 Ｈ ａｄ ａ Ｅ Ｏ Ｉ ｅｒｅ 两
随着全球气候变暖 的加剧和石油能源的紧缺 ， 寻求 多方式 、 ２１压 电发 光装置 ．
ｏｍｅｔ ｔ ｕ ｅｇ ａｖｓｉｇｄｖｃ ｓｓｍ ａｉ ｄａ ｈｍｅａｄａｒａ．ｉａｌ， ｅｄｒｃｏｓｉ ｅ ｐ ｎ ａ ｓｏ ｅ ｒｙｈｒｅｔ ｅｉｅｉ ｕ ｍ ｚ ｏ ｎ ｏｄＦｎｌ ｔ ｉ ｔ ｎ ｎｔ ｓ ｔ ｆ ｎ ｎ ｒ ｅ ｔ ｂ ｙｈ ｅｉ ｈ
ｆ ｔｒ ｗ ｒ ｐ ｉｔｄｏ ｔｏｇ ｏ ｇｍｉｉ ｕｉ ｉ ， ｔ ｒｔ ｎａ ｄｄｖ ｒｉ ． ｕｕｅ ｅｅ ｏｎｅ ｕ ｏａ ｎ ｎａ ｒ ａ ｏ ｉ ｅ ａｉ ｎ ｉ ｓｔ ｔ ｌ ｔ ｚ ｎｎｇ ｏ ｔ ｅ ｙ
ｍ 以上 ， 度为 ４ ０ ｍｃ 亮 ０ ０ ｄ以上 ， 在 ２ ０ 处 看 到 。 可 ０ｍ 技术进行研究 ， 取得了一些令人满意的成果。 本文结合 国内外近年 续 ３ ｓ
来 的研究成果 ， 对压电能量捕获装置的开发应用进行综述 ， 指出其
发展 趋势 。
－
压 电发光扇是在中空 的扇把上粘贴压电陶瓷 片， 使用 时 ， 陶 瓷片受到反复摆动变形 而产生电能 ， 使布置在扇面上的发光二极
Ｓ ＵＮ ｕ —ｈ ａ， ＨＡＮＧ Ｃｈ ｎ ｕ Ｓ Ｇｕａ ｇ ｑｉ ｇ， ｈｉ ｒ ｎｇ， ｎ － ｎ ＬＩＺ — ｏ ＴＡＯ － ｉ ＸＵ ｉＷ ＡＮＧ ｎ — ｎ Ｙｉ ｙ ， Ｈａ ， Ｈｏ ｇ ｂｉ ｇ
（ ｐ ￣ ｎ ｆＭｅ ｈ ｎ — ｌｃｒ ｎｃＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｓ ｚ ｏ ｃ ｔ ｎ ｌ ｉｅ ｓ ｙ ｕ ｈ ｕ２１ ４， ｈｎ ） Ｄｅ ａ ｍｅ ｔ ｃ ａ ｏ ｅｅ ｔｏ ｉ ｎ ｉｅ ｒｎ ， ｕ ｈ ｕＶｏ ａｉ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ，Ｓ ｚ ｏ １ Ｃ ｉａ ｏ ｏ ｔ ５０
振动能量收集技术的近况与展望
振动能量收集技术的近况与展望【摘要】振动能量收集技术是利用机械振动或震动来收集能量的一种新型技术。
本文对振动能量收集技术的原理、发展历程、关键技术和挑战、应用领域以及未来发展方向进行了详细阐述。
该技术在可穿戴设备、传感器等领域具有广泛的应用前景。
结合当前的技术发展趋势，振动能量收集技术有望在未来实现更广泛的应用，为人类生活带来便利。
振动能量收集技术的重要性正在逐渐被认识和重视，未来的发展前景十分乐观。
随着科技的不断进步，振动能量收集技术将持续突破创新，为社会的可持续发展做出更大的贡献。
【关键词】振动能量收集技术、原理、应用、发展历程、关键技术、挑战、可穿戴设备、传感器、未来发展方向、前景展望、重要性、发展趋势。
1. 引言1.1 振动能量收集技术的近况与展望振动能量收集技术是一种利用机械振动将环境中的机械能转换为电能的技术。
近年来，随着可穿戴设备、传感器等智能设备的飞速发展，振动能量收集技术也备受关注和重视。
在实际应用中，振动能量收集技术能够有效解决传统电池容量有限、寿命短、无法长时间供电的问题，为智能设备提供了一种绿色、可持续的能源解决方案。
未来，随着物联网、人工智能等新兴技术的不断发展，振动能量收集技术将有更广泛的应用场景。
在智能城市建设中，振动能量收集技术可以应用于智能交通系统、智能建筑、环境监测等领域，为城市智能化发展提供可靠的能源支持。
随着人们对节能环保的重视，振动能量收集技术也将成为未来绿色能源领域的重要组成部分，为实现可持续发展目标作出积极贡献。
振动能量收集技术的发展前景广阔，具有重要的现实意义和实用价值，必将在未来的科技领域发挥越来越重要的作用。
2. 正文2.1 振动能量收集技术的原理及应用振动能量收集技术是一种利用机械振动将机械能转换为电能的新兴技术，其原理基于振动能产生的动能可以通过适当的装置转换为电能。
振动能量收集技术通过将振动能转换为电能，实现了能源的有效利用和循环利用，具有很高的环保性和经济性。
振动能量收集技术的研究现状与发展趋势
式。 比较 了这 ５ 种 类型的振 动能量收集技术各 自的优 势与不足 ， 系统地介绍 国内外 的主要研 究成果和研 究进展 ， 以及所 面临的 困难和发展趋势 。
关键 词 ： 振 动能量收集 ； 电磁 式 ； 静 电式 ； 压 电式 ； 磁 致伸缩式 ； 复金式
中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ １ 文献标 识码 ： Ｂ 文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ０ ４ ３ — ０ ５
电磁 式 能量 收 集技 术 是 利 用法 拉 第 电磁 感应 定 律 将 自然 界 中大 量存 在 的机 械 振 动 能转 换 为 电 能 的
能量收集技术。由法拉第电磁感应定律知 ， 导体线圈
回路 面积 ５内 的磁通 量 发生 变 化 时 ，回路 中就会 产 生感 应 电动 势 Ｅ， 并引起感应电流 ， 从 而对 外 输 出 电能 ， 实 现机 械 能转 化 为 电能 ， 如公 式 （ １ ） 所示。
近年来 ，随着无 线 电通讯 与 微机 电系统 （ Ｍｉ —
ｃ ｒ ｏ — ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ — ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ， ＭＥ ＭＳ ）技 术 的 不 断 发
１ 振 动能量收集技术 的形式及其机理
１ ． １ 电磁 式 能量 收集 技 术
通常 ， 这些设备依靠传统 电池提供能量 ， 如锂聚合物
电池 、 镍 氢 电池等 ， 但 传 统 电池存 在 明显 的缺 陷 ：
一
是， 相 对 于 微 型机 电设 备 其体 积 仍 然 较 大 ， 限
制 了微 型机 电设 备 的进 一步 微 型化 ；
二是 ， 电池化 学毒 性 污染 严 重 ； 三 是 ，供 能 寿命 有 限 。 由 于传 统 电池 这 些 的 缺 陷， 各 国研 究 者研 究 从 周 围环境通讯与微 机 电系统技术 的快速发展 ， 振动能量收 集技 术被 广泛应 用于微机 电系统设备 的供 电。振动
振动能量回收技术的研究现状及应用
振动能量回收技术的研究现状及应用近年来，振动能量回收技术在各行各业的应用越来越广泛，得到了越来越多人的重视。
振动能量回收技术是指利用机械振动产生的能量，将其回收并转换成电能或其他有用能量的技术。
本文将介绍振动能量回收技术的研究现状及应用。
一、振动能量回收技术的原理振动能量回收技术的原理是将机械振动产生的能量转换成电能或其他有用能量。
机械振动可以通过惯性、压电、磁致伸缩等方式转换成电能，也可以通过压缩空气、液体或气体等方式转换成其他有用能量，如液体动力、压缩空气动力等。
二、振动能量回收技术的研究现状目前，振动能量回收技术已经有了一定的研究成果。
尤其是在振动发电方面的研究，已有一些商业化的产品问世。
1、压电振动能量回收技术压电振动能量回收技术是将机械振动转换成电能的一种方式，它利用压电材料的特性，通过其产生的电荷来转换机械振动能量。
目前，国内外已经有压电振动发电产品问世，包括运动手环、自行车灯等。
2、压缩空气振动能量回收技术压缩空气振动能量回收技术是将机械振动转换成压缩空气动力的一种方式。
它利用机械振动压缩空气的特性，将其转换成压缩空气动力。
压缩空气振动发电技术和气动振动发电技术是该技术的两种典型应用。
3、液体振动能量回收技术液体振动能量回收技术是将机械振动转换成液体动力的一种方式。
它利用机械振动使液体流动的特性，将其转换成液体动力。
液体振动发电技术和水力振动发电技术是该技术的两种典型应用。
三、振动能量回收技术的应用振动能量回收技术的应用非常广泛，包括航天、电力、通讯、交通、医疗等各个领域。
以下是该技术的几个应用案例。
1、交通领域在交通领域，振动能量回收技术主要应用于公路、铁路等交通设施的能量回收。
例如，利用道路废气、车辆振动等能源，制造发电设备从而回收能源。
又如，在火车或地铁等交通工具发出的颠簸中，可以利用压电振动模块，将其中的能量转换成电能，然后通过储存和使用电池和超级电容器来提供电力。
2、医疗领域在医疗领域，振动能量回收技术可以应用于人体节律器。
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电池能量密度较低、 寿命有限， 因此， 如何实现微机电 系统器件长时间的供能已成为人们亟待解决的问题。 振动作为自然界常见的现象， 由于其几乎无处不在且 具有较高的能量密度
［2 ］
， 因此对振动能量的转化及其
收集利用的研究在近几十年逐步兴起 。 目前， 用于实现振动能量收集的装置种类是繁多 有电磁式收集装置 的， 式收集装置
［6 － 19 ］ ［3 － 4 ］ ［5 ］ 、 静电式收集装置 及压电
缺陷将表现得更加明显。 尽管人们运用微机电系统工 艺研制了相应的微能源器件， 比如微太阳能电池、 微锂 电池及燃料电池等， 微太阳能电池虽然可以实现长期 供能， 但其受天气、 应用场合所限制， 而锂电池及燃料
等， 其中以压电式收集装置的研究为
Current situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvesters LIU Xiangjian，CHEN Renwen
（ Aeronautics Science Key Laboratory for Smart Materials ＆ Structures， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 ，China）
最多。因为与其它能量收集装置相比， 压电式装置具 有结构简单、 不发热、 无电磁干扰、 清洁环保和易于微 型化等诸多优点。随着对基于压电材料的振动能量收 集装置研究的广泛展开， 出现了各种各样的压电发电 Cymbal 结构、 装置， 如悬臂梁单晶 / 双晶结构、 叠堆形结 构等。 本文介绍目前振动能量收集常用的压电材料， 并
振 第 31 卷第 16 期
动
与
冲
击 Vol． 31 No． 16 2012
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势
刘祥建，陈仁文
（ 南京航空航天大学 智能材料与结构航空科技重点实验室， 南京 210016 ）
摘
要： 随着无线技术及微机电技术的日益发展， 以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露， 压电振动能量收
集装置以其结构简单、 清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视 。从振动能量收集常用的压电材料及其压电 性入手， 从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述 。在结构设计方面， 以压电振动 能量收集结构的方向性和响应频带为主线， 详细介绍国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新； 在能量收集电路设计方面， 以能量收集效率的提高为主线， 介绍了电路结构的优化改进 。最后， 总结了压电振动能量收集 装置未来的研究趋势和方向， 为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考 。 关键词： 压电振动能量收集； 宽频带； 多方向； 能量收集电路 中图分类号： TN384 文献标识码： A
Abstract：
With the development of wireless technology and microelectromechanical technology，the flaws of
electrochemical batteries as power sources have gradually appeared． On the contrary， piezoelectric vibration energy harvesters receive more attention because of their advantages of simple structure， no pollution and easily microminiaturizing． Beginning with the piezoelectric materials and their piezoelectricity，the piezoelectric vibration energy harvesters were reviewed on the aspects of structure design and energy harvesting circuit design． Based on the directivity and response band of the piezoelectric vibration energy harvesters， the improvements on the structure design were introduced in detail． In view of the energy harvesting efficiency，the improvements of the energy harvesting circuit design were also introduced． The development perspective of the piezoelectric vibration energy harvesters was summarized． The study will be helpful for the researchers who are engaged in the studying on the piezoelectric vibration energy harvesting． Key words： piezoelectric vibration energy harvesting； wide band； multidirection； energy harvesting circuit 随着微机电系统技术和集成电路技术的不断发 展， 小尺寸、 低能耗的微电子设备的研发取得了巨大进 展。而与之相关的微型能源技术的发展却相对滞后， 同时由于化学电池尺寸大、 寿命有限和需要更换等缺 点 ， 在一些微电子产品中的应用受到了限制， 尤其对 于目前发展迅速的无线传感网络和嵌入式系统， 这种