無(wú)線遙控發(fā)射器壓電自供能發(fā)電裝置的振動(dòng)仿真

李麗偉 董曉冬

上海電力學(xué)院

無(wú)線遙控發(fā)射器壓電自供能發(fā)電裝置的振動(dòng)仿真

李麗偉 董曉冬

上海電力學(xué)院

本文提出了一種基于壓電換能技術(shù)的小功率無(wú)線遙控裝置自供電方案。結(jié)合壓電學(xué)及彈性薄板振動(dòng)理論，建立了壓電雙晶懸臂梁自供能發(fā)電裝置的理論模型,針對(duì)該壓電發(fā)電振子的振動(dòng)進(jìn)行了仿真，基于壓電片與基板的厚度比及寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及懸臂梁自由端位移分析了發(fā)電裝置的電壓輸出特性。結(jié)果表明：當(dāng)壓電片和基板的厚度比為0.5時(shí)，壓電振子的電壓輸出達(dá)到峰值；壓電振子的寬度對(duì)壓電發(fā)電裝置的電壓輸出特性影響較??；而隨著激勵(lì)位移的增大，壓電發(fā)電裝置的電壓輸出顯著增加。

無(wú)線電門鈴；自供電；懸臂梁；壓電發(fā)電；仿真模擬

近年來(lái)，隨著集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，超低功耗的微型電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。目前，這些微電子元件和系統(tǒng)通常采用干電池等化學(xué)電池供電。而干電池電池壽命短、環(huán)境不友好、回收困難，并且廢電池中含有大量的重金屬及廢酸、廢堿等電解質(zhì)溶液，以我國(guó)生產(chǎn)和消費(fèi)量最大的干電池來(lái)說(shuō)，其中含有汞、鎘、鉛等多種對(duì)人體有害物質(zhì)[1]。為了尋找新的可替代綠色能源，近年來(lái)各國(guó)都展開(kāi)了對(duì)清潔、可靠、廉價(jià)的自發(fā)電裝置的研究。其中振動(dòng)是存在于包括機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、生物運(yùn)動(dòng)以及環(huán)境噪聲等在內(nèi)的所有場(chǎng)合，是一個(gè)不受自然氣候影響、普遍存在的能量之源。從外界壓力和振動(dòng)中獲取能量的方法主要分為壓電式[2]、電磁式[3]和靜電式[4]等多種類型，壓電式振動(dòng)能量收集器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。利用壓電式振動(dòng)能量收集器為低功耗設(shè)備供電，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自供電運(yùn)行；同時(shí)，沒(méi)有具有額外的電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為此本文探討面向低功耗無(wú)線遙控應(yīng)用的壓電自供能發(fā)電裝置振動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其電壓輸出特性的影響。

1 小功率設(shè)備無(wú)線遙控自供能原理

1.1 電子門鈴無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)流程

電子門鈴是生活中常用到的一種小功率電器，為方便日常使用通常采用無(wú)線遙控裝置實(shí)現(xiàn)控制，其由一個(gè)無(wú)線電發(fā)射器和一個(gè)接收器組成，工作流程如圖1所示。

圖1 無(wú)線電遙控門鈴工作流程圖

當(dāng)按下發(fā)射器開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，振蕩電路接通，發(fā)射器發(fā)出無(wú)線電信號(hào)，室內(nèi)的接收器在接收到信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，隨后接收器發(fā)出悅耳鈴音。

本文提出了一種基于壓電式能量回收技術(shù)的電子門鈴無(wú)線遙控自供電方案。將壓電式能量收集器置于開(kāi)關(guān)的下方，利用其收集的能量實(shí)現(xiàn)無(wú)線電門鈴的自供電工作。當(dāng)發(fā)射器開(kāi)關(guān)受到向下的壓力后，置于開(kāi)關(guān)下的壓電式能量收集器因受力產(chǎn)生相應(yīng)形變，壓電效應(yīng)使得換能器表面電荷重新分布從而形成電場(chǎng)，輸出電能。利用電壓比較器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流電輸出，如圖2所示為新型微功率芯片（LTC1540）電壓管理電路[5]。

1.2 壓電式能量收集器工作原理

壓電式能量收集器的核心是壓電振子。壓電振子是利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作的。壓電效應(yīng)是指大部分無(wú)對(duì)稱中心的晶體，在機(jī)械應(yīng)力的作用下呈比例地產(chǎn)生電荷或在外電場(chǎng)的作用下呈比例地產(chǎn)生幾何變形，即為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。壓電能量收集器利用的是壓電材料的正壓電效應(yīng)，把環(huán)境中振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能，從而為電子器件供能[6]。

壓電振子有多種形態(tài)[7]，按形狀分，可分為矩形、圓形、梯形等，按照機(jī)械夾持方式可分為懸臂梁式、簡(jiǎn)支、兩端固定等。本文采用的是懸臂梁式壓電振子，如圖3所示一端固定于基座中，另一端為自由端，壓電振子由壓電材料和基板粘結(jié)而成。當(dāng)振子的自由端受到作用力產(chǎn)生位移后，懸臂梁將會(huì)產(chǎn)生彎曲，壓電陶瓷產(chǎn)生形變，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。

圖2 LTC1540芯片電壓管理電路[5]

2 壓電振子的理論建模

建立如圖3所示的雙壓電片懸臂梁發(fā)電振子結(jié)構(gòu)模型，以對(duì)雙晶懸臂梁的電壓輸出進(jìn)行理論計(jì)算。設(shè)其長(zhǎng)、寬、厚分別為a、b、h，金屬基板的厚度hb，壓電片厚度hp為：

圖3 雙晶懸臂梁壓電振子結(jié)構(gòu)圖

式中λ為金屬基板厚度與壓電片總厚度之比，即：λ=hb/h

雙壓電片懸臂梁結(jié)構(gòu)關(guān)于x軸對(duì)稱，則壓電片上表面到中性層面的距離為hz=h/2；由應(yīng)力與彎矩的關(guān)系可知，懸臂梁任意截面的彎矩為：

式中Tb為金屬基板在x方向的應(yīng)力Tb=Eb·Sb；Ap為壓電片的橫截面積；Ab為金屬基板的橫截面積；F為施加在懸臂梁自由端的力。

由機(jī)械邊界條件和電學(xué)邊界條件可得到模型壓電方程為：

式中S和T分別為應(yīng)變和應(yīng)力，E為電場(chǎng)，D為電位移，SD為開(kāi)路彈性柔順系數(shù)；βT為自由到介電常數(shù)，g為壓電電壓系數(shù)，gt為g的轉(zhuǎn)置。

由式（1）（2）（3）可變換得到：

式中β=Eb/Ep，Eb為金屬基板的楊氏模量，為壓電材料的楊氏模量，η1=hz，η2=hz-hp

因此，可得到該壓電發(fā)電單元在位移激勵(lì)作用下，輸出的開(kāi)路電壓為：

3 壓電振子的仿真

無(wú)線電門鈴發(fā)射器供電范圍為3-18 V[8]，家用無(wú)線電門鈴的供電一般為12 V堿性干電池，為實(shí)現(xiàn)發(fā)射器的正常工作，壓電發(fā)電裝置輸出范圍要在5～12 V。本文采用ANSYS軟件針對(duì)雙晶懸臂梁復(fù)合壓電振子進(jìn)行振動(dòng)仿真，壓電振子材料為PZT-5；基板材料為鈹青銅，表1為壓電及基板材料參數(shù)。

表1 壓電材料和基板材料參數(shù)

以下主要分析壓電復(fù)合振子復(fù)合振子寬度、壓電片與彈性基板厚度比以及懸臂梁自由端位移等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓電發(fā)電振子輸出電壓的影響。

（1）壓電振子寬度對(duì)輸出電壓的影響

仿真研究針對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸為60 mm×0.4 mm的雙晶懸臂梁壓電振子復(fù)合板。其中壓電陶瓷的厚度為0.2 mm，基板厚度0.2 mm，對(duì)寬度分別為20mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、50mm的壓電振子進(jìn)行模擬分析，當(dāng)受限最大位移為2mm時(shí)，輸出結(jié)果如圖5。

由圖-4可知，當(dāng)振子寬度逐漸增大的時(shí)候，壓電振子的電壓輸出在6.5到7之間波動(dòng)；表明寬度對(duì)懸臂梁壓電振子的電壓輸出影響不大，針對(duì)相同材料及結(jié)構(gòu)尺寸，文獻(xiàn)[9]中實(shí)驗(yàn)測(cè)得寬度對(duì)輸出電壓的影響很小。

（2）厚度比λ對(duì)輸出電壓的影響

仿真研究針對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸為60 mm×40 mm的雙晶懸臂梁壓電振子復(fù)合板.其中選取壓電陶瓷的厚度為0.2 mm，對(duì)基板厚度分別為0.05 mm、0.1mm、0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35mm的壓電振子進(jìn)行了模擬，考慮開(kāi)關(guān)受到最大按壓激勵(lì)位移為2 mm時(shí)，仿真獲得的輸出電壓隨基板厚度與壓電板厚度比變化關(guān)系如圖4所示。

固定壓電復(fù)合振子長(zhǎng)寬及壓電陶瓷的厚度，由圖5仿真結(jié)果可知，隨著基板與壓電板厚度比的增大，壓電振子的輸出電壓先增加再減小，當(dāng)壓電片與基板厚度比為0.5時(shí)，此時(shí)基板厚度為0.2mm，壓電振子的電壓輸出達(dá)到峰值，針對(duì)相同材料及結(jié)構(gòu)尺寸，文獻(xiàn)[9]中實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓電基板厚度比為0.525時(shí)振子輸出電壓最高，兩者誤差為5%，所反映的電壓輸出對(duì)厚度比變化趨勢(shì)一致。

（3）梁自由端位移對(duì)輸出電壓的影響

選用結(jié)構(gòu)尺寸為60 mm×30 mm×0.4 mm的雙晶懸臂梁壓電振子復(fù)合板，其中壓電陶瓷的厚度為0.2 mm。對(duì)梁自由端位移分別為0.5 mm、1.0mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm時(shí)進(jìn)行模擬分析，輸出結(jié)果如圖6。

圖4 壓電振子的輸出特性隨壓電振子寬度的變化

圖5 壓電振子輸出特性隨厚度比增加的變化

圖6 壓電振子輸出特性隨位移的變化趨勢(shì)

由圖6可知：隨著壓電振子自由端位移的增加，壓電振子的電壓輸出隨激勵(lì)位移的增加明顯增大。與基于理論模型編程計(jì)算獲得的輸出電壓隨激勵(lì)位移變化的趨勢(shì)一致。由于受尺寸結(jié)構(gòu)限制，限定壓電振子自由端最大位移是2 mm，相應(yīng)的仿真輸出電壓為6.9 V，編程計(jì)算得到的電壓值為7.1 V。

4 結(jié)論

基于壓電學(xué)及彈性薄板振動(dòng)理論，建立了壓電雙晶懸臂梁自供能發(fā)電裝置的理論模型,對(duì)雙晶懸臂梁進(jìn)行了仿真。結(jié)果顯示：當(dāng)壓電陶瓷和基板的厚度比為0.5時(shí)，壓電振子的電壓輸出達(dá)到峰值；當(dāng)壓電振子的長(zhǎng)度、厚度不變時(shí)，在固定激勵(lì)位移時(shí)，改變壓電振子的寬度，壓電振子的電壓輸出在小范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，壓電振子的電壓輸出特性同激勵(lì)位移成正比例關(guān)系。對(duì)于60 mm×30 mm×0.4 mm的雙晶懸臂梁壓電振子，當(dāng)激勵(lì)位移為2 mm時(shí)，輸出電壓為6.9 V，轉(zhuǎn)換為直流電后，可滿足無(wú)線電門鈴工作電壓的要求。

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Vibration Simulation of Wireless Remote Control Transmitter Piezoelectric Energy Harvesting Generator

Li Liwei, Dong Xiaodong
Shanghai Electrical Power University

The article introduces one kind of small power wireless remote control device energy harvesting solution based on piezoelectric energy transfer technology. Combined with piezoelectric and elastic thin-plate vibration theory, the author builds up theoretical model of piezoelectric double cantilever beam energy harvesting device. Focused on piezoelectric power generation oscillator simulation, based on thickness and width and other structural parameters of piezoelectric and substrate and cantilever beam free end displacement, the author analyzes generator voltage output characteristics. The results show that piezoelectric oscillator voltage output reaches peak when piezoelectric and substrate thickness ratio is 0.5. Piezoelectric oscillator thickness impact on piezoelectric generator device voltage output is small. Piezoelectric generator device voltage output increases with excitation displacement increases.

Wireless Electric Bell, Energy Harvesting, Cantilever Beam, Piezoelectric Generator, Analogue Simulation

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.011