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基于PVDF的双谐振压电能量采集器突破

🌐 低频高效 · 宽带响应 · 能量转换新范式
深港微电子学院汪飞课题组最新研究成果 | 实验+仿真双重验证

物联网时代的能源困局与破局之道

当我们在楼宇中布设成千上万个无线传感器，监控温度、湿度、振动甚至结构健康时，一个现实问题悄然浮现：这些设备靠什么持续供电？

电池虽然方便，但寿命有限。在桥梁监测点更换一次电池可能需要封路作业，在工业管道内部维护更是成本高昂。更别提每年数以万吨计的废弃电池带来的环境负担。于是，从环境中“就地取能”成为极具吸引力的技术路径。

机械振动无处不在——电机运转、车辆通行、人流走动，都是潜在的能量来源。然而，传统压电能量采集器却长期受限于两个致命弱点：只能在特定频率下高效工作（窄带），且偏好高频振动（>50 Hz），而现实中大多数有用振动恰恰集中在5–30 Hz 的低频段。

这就像是给一台收音机只调准了一个频道，其他所有信号都被过滤掉了。哪怕周围充满能量，也“听不见”。

如何打破这一瓶颈？深港微电子学院汪飞课题组提出了一种全新的思路：不再追求单一共振峰的极致效率，而是通过双谐振耦合 + 非线性碰撞机制，构建一个能“广谱捕获”的能量采集系统。

双悬臂梁设计：让两个共振系统协同作战

他们采用聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜作为核心换能材料，设计出一种上下叠层的双悬臂梁结构：

┌──────────────┐ │ 上层悬臂梁 │ ← 共振频率 f₁ = 15 Hz │ (含质量块M₁) │ └──────┬───────┘ │ 间隙 δ ┌──────┴───────┐ │ 下层悬臂梁 │ ← 共振频率 f₂ = 22 Hz │ (含质量块M₂) │ └──────────────┘ ↓ 振动激励方向

这种结构的精妙之处在于：

• 两个子系统各自拥有独立的谐振频率，分别对准目标频段中的不同能量集中区；
• 在小幅度振动下，二者独立运行，互不干扰；
• 当外部激励增强时，上下梁之间的位移差超过预设间隙δ，发生物理碰撞；
• 碰撞瞬间产生冲击力，打破原有线性响应模式，激发宽频振动模态，并实现能量在两系统间的非线性再分配。

这就像两个人荡秋千，起初各自按自己的节奏摆动；一旦其中一人用力撞向另一人，整个系统的运动状态就会突变，出现复杂的同步与能量转移现象。

实验表明，这种机制使得有效带宽从传统单结构的不足5 Hz扩展至14 Hz（15–29 Hz），覆盖了绝大多数工业与交通场景下的主要振动成分。

动力学建模与仿真验证

为了深入理解系统的非线性行为，研究团队建立了基于牛顿定律的动力学模型：

$$
\begin{cases}
m_1 \ddot{x}1 + c_1 \dot{x}_1 + k_1 x_1 = F{ext}(t) \
m_2 \ddot{x}2 + c_2 \dot{x}_2 + k_2 x_2 = F{int}(t)
\end{cases}
$$

其中 $F_{int}(t)$ 是碰撞过程中的内力项。当 $|x_1 - x_2| > \delta$ 时触发碰撞事件，依据动量守恒和恢复系数 $e=0.8$ 重新计算速度。

使用 MATLAB/Simulink 构建完整仿真平台，输入经过低通滤波的随机加速度信号模拟真实环境振动：

% 示例：设置白噪声激励源 fs = 1000; % 采样率 t = 0:1/fs:10; % 时间序列 acc_noise = wgn(1,length(t),-10); % 白噪声加速度信号 lowpass_filter = butter(4,50/(fs/2)); % 50Hz低通滤波 acc_filtered = filtfilt(lowpass_filter, acc_noise);

仿真结果显示，在大激励条件下，周期性碰撞显著增强了系统的能量传递能力。更重要的是，双共振结构的输出功率比两个独立系统之和高出 40%–81%——这意味着并非简单的“叠加”，而是出现了超加和效应（super-additive effect）。

这一发现挑战了传统认知：原本我们认为多个采集器并联即可线性提升总功率，但实际中由于空间限制和相互干扰，很难做到理想叠加。而这里的双谐振设计，反而因非线性耦合实现了“1+1 > 2”的突破。

器件制备与测试流程

工艺实现细节

PVDF的选择颇具深意。尽管其压电系数（d₃₁）低于传统的PZT陶瓷，但它具备三大优势：

• 柔韧性好：可承受反复弯曲与冲击，适合非线性碰撞设计；
• 密度低：轻量化有助于降低启动阈值；
• 工艺兼容性强：易于大面积成膜，支持柔性化、卷对卷制造。

此外，铝电极的真空蒸镀确保了良好的导电性和附着力，避免在高频振动下脱落。

测试平台配置

信号发生器 → 功率放大器 → 电动振动台 → 待测器件 ↘ 加速度计（实时监控） 待测器件输出 → 20 Ω负载电阻 → 数据采集卡（NI USB-6366）

测试条件设定如下：
- 激励信号：50 Hz 低通滤波后的随机振动
- 加速度水平：RMS = 5, 10, 15 m/s²
- 每组采集 200 个周期（约 6.4 s × 200），确保统计可靠性
- 输出功率由均方根电压推算得出

实验结果：宽带响应与功率跃升

输出性能实测数据

所有测试条件下，双共振结构均显著超越两个子系统之和！

尤其值得注意的是，在低激励（5 m/s²）下增益最大（+80.2%），说明该结构在微弱振动环境中具有更强的适应能力。随着激励增强，系统趋于饱和，相对增益下降，但仍保持在40%以上。

频率响应对比分析

• 单一结构仅在 ~20 Hz 处有一个尖锐峰值，带宽狭窄；
• 双谐振结构在15 Hz 和 22 Hz处形成双峰响应；
• 更关键的是，两峰之间区域因非线性耦合仍维持较高输出，避免了“谷底失效”；
• 综合效果使有效带宽扩大近三倍。

这正是工程实践中最需要的特性：不依赖精确调谐，能在一定频率范围内稳定工作。

关键特性解析与优化策略

非线性碰撞：从“缺陷”到“功能”

在传统振动系统中，碰撞往往被视为有害因素，会导致疲劳损伤或信号失真。但在本设计中，它被巧妙地转化为一种主动的能量调控机制。

碰撞带来的瞬态冲击具有以下作用：

• 打破线性系统的频率锁定，引入宽频响应；
• 激发高阶振动模态参与能量转换；
• 实现一定程度的“自适应频率追踪”——即系统能自动响应突发振动或频率漂移。

这对于交通、机械设备故障等含有冲击性振动的应用场景尤为有利。

PVDF vs PZT：为何选择“次优”材料？

可以看到，PVDF虽在压电性能上略逊一筹，但在机械鲁棒性、工艺灵活性和系统集成度方面优势明显。特别是在涉及非线性碰撞的设计中，PZT极易碎裂，而PVDF则能承受数千次撞击而不失效。

因此，这是一个典型的“系统级权衡优于单项指标最优”的案例。

参数优化建议

经验表明，过小的间隙会导致频繁碰撞、能量耗散增加；过大则难以触发非线性效应。建议先通过仿真扫描参数空间，再进行实物调试。

应用拓展与未来展望

当前落地场景

例如，在风力发电机齿轮箱监测中，常见振动频率为12–25 Hz，正好落在本采集器的有效响应区间内。无需电池更换，即可实现长期在线监测。

下一代发展方向

1. 智能化自适应调频
   引入MEMS可调质量块或形状记忆合金，动态调整谐振频率以跟踪环境变化，进一步提升能量捕获率。

2. 多源融合采集
   将同一机械结构与热电、光伏、射频等模块集成，打造“全天候”供能单元，应对单一能源不稳定的问题。

3. 批量制造与封装革新
   推动卷对卷（Roll-to-Roll）印刷工艺，结合PDMS封装技术，实现低成本、高一致性生产。

4. AI驱动的边缘智能优化
   在终端部署轻量级AI算法，实时识别振动特征并切换工作模式（如线性/非线性模式），最大化能量利用率。

性能概览

注：所有数据基于实验室标准测试条件

研发实践建议

如果你正计划开发类似的能量采集系统，不妨参考以下工作流：

1. 明确需求边界
   分析目标场景的典型振动频谱、加速度幅值分布及空间约束，确定设计起点。

2. 仿真先行，减少试错成本
   使用Simulink或COMSOL建立动力学模型，快速评估质量、刚度、间隙等参数的影响。

3. 模块化原型搭建
   采用可拆卸结构便于更换质量块或调整间隙，提高迭代效率。

4. 真实环境验证
   实验室数据只是起点，务必在真实工况下测试长期稳定性与抗干扰能力。

5. 面向制造优化
   早期就考虑量产可行性，避免陷入“实验室可行、工厂难产”的困境。

技术支持与合作

本研究成果由深港微电子学院汪飞课题组完成。欢迎学术交流与产业合作。

联系人：
汪飞 副教授
单位：南方科技大学 深港微电子学院
邮箱：wangfei@sustech.edu.cn
官网：https://fiewang.github.io/

本文基于以下论文整理：
A dual-resonance piezoelectric energy harvester using PVDF for broadband applications, Sensors and Actuators A: Physical, 2025.

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924424716303211

器件设计与测试方法已申请国家发明专利（公开号 CN2024XXXXXXX）

最后更新：2025-12-20