引言传统监测设备的供能方式采用内嵌式电池或电缆供电，但大部分安全监测设备常被安装在隧洞、公路、桥梁等偏远场所，使用电缆供电的成本极高；若采用电池供电，检测设备高度集成和一体化使人工定期更换电池的技术门槛和成本偏高。随着依托MEMS微机电和无线传感技术的蓬勃发展[1]，一种帮助工程中各类终端设备实现自供能的俘能器成为研究热点[2]。与为偏远地区搭设电缆和人工更换终端设备电池相比，俘能器能够节约人力、财力成本[2]，实现半永久式供能[3]。环境能源在自然界中广泛存在，使俘能器的工作环境具有一定保障[4]。使用俘能器能够减轻外界环境、温度等条件的制约，实现长效化供能，潜在应用范围广。文中介绍传统风能结构俘能器的结构技术，针对其工作带宽窄、输出功率低等问题，总结相关改善方法以提高俘能器的输出功率和预测精度，分析俘能器的未来发展趋势。1传统风能俘能器风能广泛存在于自然界且具有清洁、可再生优势，是较理想的俘能器供能能源。利用风能进行发电时一般采用旋转风车似的结构，风能使叶片旋转从而切割磁感线直接发电[4]。针对微电子设备，切割磁感线发电方式存在尺寸庞大、结构复杂、不易加工等缺点。另一种较为经典的发电方式是风致振动式，风荷载施加在悬臂梁结构时使悬臂梁发生振动，从而产生应力应变，通过静电式、电磁式和压电式的振动能量采集手段将风能转化为电能[5]。压电式俘能器的主要工作原理依据压电效应，利用压电材料收集俘能器悬臂梁构件应力应变变化产生的正负电势。与静电式俘能器需要额外电压源相比，压电式俘能器具有便携、无须额外电压源的优势，适合与MEMS微机电相结合[6]。与电磁式俘能器相比，压电式俘能器输出功率与悬臂梁所受应力应变大小成比例，具有更高的平均输出功率，加工特点简单，使用寿命长[7]。2混合俘能器传统风能俘能器依靠风流过悬臂梁结构的钝体产生机械振动，为了提高俘能器的输出功率，需要考虑俘能器支座振动对输出功率的影响[8]。Zhao[9]等提出考虑支座振动和悬臂梁振动的混合俘能器模型，风速为5.5 m/s时，混合俘能器的输出功率稳定在3.8 mW，提高基础风速和加速度时，制动器的阻尼较低。Dai[10]等在优化压电俘能器时考虑支座振幅和圆频率，在相同风速下证明了混合俘能器能够提高输出功率。Yan[11]等发现混合俘能器的非线性机械振动现象与支座的基础加速度、风速及电气负载电阻有关，混合俘能器由一个双压电片组成，横截面为三角形的悬臂梁，增加支座的加速度对俘能器的激励效果明显[12]。混合俘能器在能量采集方面的效果优于传统风能俘能器。目前存在的俘能器模型主要基于线性结构建立，具有振动频带较窄、不能准确描述实验中发现的非线性机械振动等缺点，俘能器的应用和数值模拟过程存在一定缺陷[13]。为了填补上述设计缺陷，学者采用多自由度的悬臂梁结构优化、拓宽振动频带等方法进行优化，使俘能器结构复杂化、不易加工[14]。罗翠线[15]等将单自由度的线性结构俘能器优化成三自由度悬臂梁结构俘能器，使有效工作带宽扩展到单自由度的3.7倍。但仍存在加工复杂、成本较高、不能大批量使用等缺点。为了解决线性结构俘能器的相关缺陷，部分学者以双稳态或多稳态的方式优化俘能器。Karami[16]等在拉格朗日方程的支撑下建立数学模型，并利用磁场的非线性力使俘能器结构中的悬臂梁在双稳态状态工作，双稳态运行解决了振动频带较窄的缺点。在线性结构单自由度的基础上，将俘能器改装成双稳态结构用以拓宽频带，增加俘能器的输出功率并在俘能器的底部安装了弹性放大器用以增加振动幅度。张琪昌[17]等研制一种五稳态的俘能器，除去常规的升频手段成功建立了非线性磁力与线性结构耦合相结合的俘能器模型。王光庆[18]等利用一种线性放大器使处于双稳态的俘能器进入非线性大幅振动状态，从而获得更加可观的输出功率。杨晓东[19]等利用磁场的非线性力将压电悬臂梁的运动方式改为旋转式运动，与单一横向振动相比，悬臂梁的运动方式得到较可观的优化，为下一阶段旋转的运动方式进行前期的技术铺垫。建立理论模型是进行俘能器优化设计的基础，国内外学者对悬臂压电俘能器的理论模型进行了很多研究。Erturk[20]等在欧拉-伯努利梁假设下，给出悬臂压电能量采集器的解析解。Kim[21]等依据能量法建立具有较高精度的悬臂压电振动俘能器的理论模型，并验证质量块对振动俘能器性能的影响。贺学锋[22]等考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异，建立悬臂梁式压电振动能采集器的连续模型，并推导输出电压表达式，与实验结果相比，输出电压表达式的相对误差小于20%。早期的悬臂压电俘能器的模型均为几何线性模型，未考虑应变和挠度之间的非线性关系，模型精度不高。3非线性俘能装置为了提高预测精度，学者通常采用几何非线性模型，通过引入非线性结构以实现在较宽的频率范围内增强俘能器的输出性能[23-25]。Dai[10]等利用欧拉-拉格朗日原理和伽辽金离散法建立非线性分布参数模型，但是在推导电学方程时忽略了几何非线性效应。Yan[26]等使用非线性动力学的现代方法，描述俘能器在振动基座激励和空气动力载荷组合下的响应，但是在推导运动方程时，未考虑质量块的平动动能和转动动能，转而考虑质量块的转动阻尼。Zhou[27]等揭示非对称三稳态能量采集器的非线性动力学机理，随后Wang[8]等通过引入非线性磁力，构建了一种新型三稳态驰振压电俘能器。Zhang[28]等建立阶梯梁压电能量采集器的非线性分布参数模型，夏光辉[29]等对在参数和直接激励下的悬臂压电俘能器进行非线性分析，Li等[30]总结前人在研究几何非线性模型存在的缺陷，并提出悬臂压电振动俘能器的一致几何非线性模型。以上建模过程均考虑了非线性项。贺雪锋[31]等设计一个由带谐振腔的风能采集器供电的无线风速传感器，该无线传感器包括两个带谐振腔的风能采集器，其中一个用于风能采集，另一个用于风速测量。风速在特定区间变化时，采集器将发生强烈振动，将风能转换为电能。Kwon[32]设计一种外形类似T形的压电悬臂梁的风能收集器。将用铝基板做成T形，其中一端安装在基座上，另外一端不固定，在铝基板的根部两面分别粘上3个压电陶瓷片，风吹动T形梁的挡板时，引起整个梁颤振，从而带动根部的压电片振动，发生变形输出电能。Bibo[33]等设计一种通过谐振空腔使压电悬臂梁产生非线性形变的微型风能收集器。空气进入腔体经过缝隙流出时，固定在空气腔的压电悬臂梁发生颤振，通过缝隙的风速达到某个值时，流过的气流可以使悬臂梁产生自激振荡状态。Mhetre[34]等设计一种使用人呼出的气体作为能量源，作用于压电材料上产生电能的装置。管道内固定有热敏电阻、PVDF压电薄膜，人呼出的气体作用于压电薄膜上，从而产生电能。Orrego[35]等设计一种倒旗形状的压电式风能采集器。该采集器基于颤振机理，利用倒旗形状的固定式压电薄膜的自持振荡进行风能采集，从而产生电能。压电式风能采集器主要包括动力结构及压电元件两大功能模块，因具有体积小、结构简单、转化效率高、有效工作范围广等优点而备受关注[36]。压电式风能采集器的动力结构中存在具有一定气动外形的构件单元[37]，气流经过气动单元时发生绕流运动并在其表面产生气动力，气动力驱动采集器动力结构振动，使采集器发电。4结语目前压电风能采集器多以线性结构采集器的受非线性风荷载为研究重点，但工程实践与试验室观察到的结果发现，非线性振动是采集器的结构非线性与所受到的非线性风荷载的综合体现。非线性压电风能采集技术的非线性可以是压电材料的非线性，即通过改变压电材料的硬度以影响谐振频率，也可通过非线性振动获得较宽的振动频率范围和较高的输出电压。因此，以压电风能采集器的非线性机械振动研究为对象，在考虑非线性气动荷载的前提下，重点考察采集器的结构非线性对压电风能采集器的机械振动以及能量输出的影响。在考虑非线性气动荷载的前提下，引入能量采集结构的几何非线性，可以更准确地模拟采集器在工程实践中的机械振动情况，为压电风能采集器的设计提供理论指导，对增大采集器的能量输出、完善桥梁健康的实时监测以及更大范围健康监测网络的布置具有重要意义。通过引入结构的几何非线性，考察能量采集器结构的几何非线性对压电风能采集器的非线性机械振动的影响，从而实现压电结构的非线性与风荷载的非线性的有效结合，设计开发效能更高、工作适用范围更广的非线性压电风能采集器。