综述：压电振动能量采集技术综述及其基于模态重叠因子的分频方法

《Results in Engineering》：A Review of Piezoelectric Vibration Energy Harvesting, and its Frequency Classification Based on Modal Overlap Factor (MOF)

　　

穆罕默德·哈菲兹|阿兹尼·N·瓦希德|穆罕默德·法尔汉|阿桑·G.A·穆塔利夫

英国谢菲尔德大学机械、航空航天与土木工程学院，地址：谢菲尔德Mappin Street，S1 3JD

摘要

在工业环境中，自主监测系统和远程监测系统被越来越多地应用，但由于对传统电池的依赖，其在维护和可访问性方面的限制使得难以长期运行。利用环境中的机械振动为低功耗电子设备供电是一种有前景的替代方案，而压电振动能量收集器因其高功率密度、可扩展性以及在不同尺度上的适用性，已成为一种主流解决方案。尽管在材料、非线性设计以及自适应结构方面取得了显著进展，但现有研究大多仍依据共振频率范围对压电振动能量收集器进行分类，这种分类方式由于过度依赖特定系统的参数，缺乏普遍性。本文提出了一种基于模态重叠因子的全新分类框架，可实现与系统无关的频率特性分析。模态重叠因子定义为模态带宽与模态间隔的比值，据此可将压电振动能量收集器分为三个类别：低频区（模态重叠因子＜1）、中频过渡区（模态重叠因子≈1）和高频宽频区（模态重叠因子＞2）。该综述系统地分析了线性、非线性、多模态以及混合式的能量收集策略，并将其性能与模态重叠因子及标准化带宽指标相联系。研究结果表明，低模态重叠因子系统的峰值功率较高，但带宽较窄；而高模态重叠因子系统则具有宽频响应特征，但峰值输出较低。处于中间区域的系统（模态重叠因子≈1）属于关键过渡阶段，目前相关的实验验证还较为有限。文中还探讨了与非线性应用、电气接口优化以及高频能量提取相关的挑战，并介绍了包括旋转式系统、超构结构以及基于人工智能的优化方法在内的新兴解决方案。这项工作为下一代宽频压电振动能量收集器的设计与评估提供了全面的框架。