基于壓電陶瓷的環(huán)境振動驅(qū)動微型壓電發(fā)電裝置設(shè)計

豆高雅

(榆林市瀚霆化工技術(shù)開發(fā)有限公司 陜西 榆林 718100)

隨著微電子技術(shù)、無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，手機、mp3、數(shù)碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、商務(wù)通等電子產(chǎn)品極大的豐富和方便了人們的生活和工作，大量的無線電傳感器也開始大量應(yīng)用到生產(chǎn)生活當中[1]。但在能量供給領(lǐng)域，依然采取著傳統(tǒng)的供能方式，即利用化學能電池作為主要的能量供應(yīng)裝置[2]。雖然化學能電池以方便的特點被廣泛使用，但是其需要經(jīng)常更換電池或充電、材料浪費、污染環(huán)境、回收困難等問題也日益突出[3]。當今，沒有更好的替代產(chǎn)品來代替化學能電池，因此仍然大量地生產(chǎn)和使用，電池市場上化學能電池幾乎占據(jù)所有份額[4]。

至今，人們已經(jīng)開發(fā)了太陽能電池、風能發(fā)電裝置、溫差發(fā)電裝置等電源，但由于它們體積大、環(huán)境依賴性強、在不滿足其環(huán)境要求下就無法持續(xù)提供電能。最近，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛運用于農(nóng)田野外檢測和鐵路貨車的運行狀態(tài)參數(shù)檢測和安全監(jiān)測，隨著無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量的增加，利用電纜提供電能成為難題[5]；利用一般的化學電池，則需要經(jīng)常更換或充電，花費大量人力而且污染環(huán)境。

近年來利用壓電材料進行能量收集的研究越來越受到關(guān)注，其節(jié)能環(huán)保的特性也備受青睞。利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[6]。而筆者發(fā)明的環(huán)境振動驅(qū)動微型壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、能量密度高、壽命長、能量可靠、對環(huán)境適應(yīng)性強，對人體和環(huán)境無害、環(huán)保節(jié)能，沒有電磁干擾、能同微加工工藝兼容和與微機電系統(tǒng)(MEMS)集成，經(jīng)不斷改進后可制成手機電池大小甚至更小，價格便宜，可產(chǎn)品化，易推廣，具有很大市場價值。

1 設(shè)計方案

1.1 功能描述

本裝置是基于壓電陶瓷的環(huán)境振動驅(qū)動微型壓電發(fā)電裝置，主要是收集環(huán)境中的振動能量，根據(jù)壓電效應(yīng)把振動能量轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，以供應(yīng)各種用電設(shè)備。它主要由電路部分和機械部分2部分組成，電路部分包括整流、濾波、穩(wěn)壓和存儲電路，機械部分包括由壓電陶瓷片、可調(diào)金屬重物和壓電彈簧片組成的壓電振子、透明上殼和硬塑底座。

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.2 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)及整體外觀

圖2 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本壓電發(fā)電裝置采用了硬塑作為底座，透明藍色上殼，輕巧美觀，底座有兩個固定圓孔，方便安裝和移植，透明上殼可拆開，壓電振子一端被固定于底座的固定端，另一端安裝了一個可調(diào)節(jié)的金屬重物，用于調(diào)節(jié)壓電振子的固有頻率，跟外界達到共振的狀態(tài)，可以輸出最大功率，壓電振子是由一個彈簧片和數(shù)片壓電陶瓷構(gòu)成的。轉(zhuǎn)換和存儲電路置于壓電振子下面。壓電發(fā)電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及整體外觀圖如圖2和圖3所示。

圖3 裝置整體外觀

1.3 電路部分

對于壓力發(fā)電，最大的難題就是電能的存儲。因為用壓電陶瓷片產(chǎn)生的電是交流脈沖電流，對于這種電流是很難將它存儲的，因為電流很微弱且方向不穩(wěn)定，而電存儲的技術(shù)用的都是直流儲電。所以首先要把交流脈沖電流經(jīng)過整流器變成直流電，再進行存儲。對于發(fā)電系統(tǒng)的模型，用2個1F的大電容存儲電能，再利用鋰蓄電池進行大容量蓄電。

圖4 電路整體原理圖

電路整體原理圖如圖4所示。由于壓電振子產(chǎn)生的是正負交替變化的交流電，在存儲前，必須采用整流電路進行整流。在連續(xù)周期性激勵的情況下，壓電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的交流信號近似于正弦信號。該模塊的工作原理如圖4所示。壓電轉(zhuǎn)換模塊輸出交流信號經(jīng)整流后變成直流，此時的直流電壓不穩(wěn)定，存在交流諧波分量。濾波電路由電容組成，它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中脈沖成分濾掉得到比較平滑的直流電壓。經(jīng)過整流濾波后電壓接近于直流電壓，但其電壓值的穩(wěn)定性很差。因此，還必須有穩(wěn)壓電路，以維持輸出直流電壓的基本穩(wěn)定。

1.3.1 整流方案論證

整流的方法主要有單相波整流、全波整流和倍壓整流，因為壓電振子輸出電流微弱，整流方法的選擇非常重要，而整流方法各有優(yōu)缺點，下面將對其一一進行比較。

1)單相波整流。單相半波整流利用二極管的單向?qū)ㄐ?，使流?jīng)整流電路的正弦電壓Vr出來時只有半個周期可以到達負載，在負載上得到的電壓是以單方向的脈動直流電壓，脈動大、利用效率低。

2)全波整流電路。半波整流電路中，負載上只能得到正弦電壓波形的一半，另外一半被舍棄掉了，所以整流效率很低。全波整流電路能把正弦交流電的正、負兩個半波都利用起來，輸出電壓的脈動度會大大減小，整流效率也將得到顯著提高。全波整流電路是在半波整流電路的基礎(chǔ)上加以改進而得到的，是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個二極管配合，使兩個二極管在正半周和負半周內(nèi)輪流導電，而且二者流過負載的電流保持同一方向，從而使正、負半周在負載上均有輸出電壓。其中橋式整流電路為典型應(yīng)用。

3)倍壓整流電路。倍壓整流常用于一些需用較高電壓、負荷電流較小的地方，在一般的整流電路中，若變壓器的變比已確定，則輸出電壓平均值的上限就被確定，通常橋式整流電路因為二極管存在著正向壓降，電壓峰值經(jīng)整流后會有所下降。而使用倍壓整流電路就可以提高輸出電壓平均值。因為壓電振子輸出的功率是一定的，當電壓提高時，相應(yīng)的電流峰值會有所下降。壓電振子的電壓可以通過壓電陶瓷片的串聯(lián)來提高，但是壓電振子的輸出電流卻很難提高，需要并聯(lián)很多壓電陶瓷片。所以倍壓整流電路不適合本壓電發(fā)電裝置。

綜上所述，選擇全波整流電路為整流方案中效率最高、最合適的方案。

1.3.2 存儲電路方案論證

大部分用電設(shè)備對電源都有電壓、功率大小和穩(wěn)定性等嚴格要求，而壓電振子產(chǎn)生的電能瞬時功率相對較小，不能直接為用電設(shè)備提供能量。但是振動是時刻存在的，只要周圍環(huán)境有振動壓電發(fā)電裝置就可以輸出電能，但是用電設(shè)備只是在某段時間需要電源，所以需要在利用壓電振子產(chǎn)生的電量之前先進行電荷的累積。因此，高效的收集、儲存能量的方法就成為壓電發(fā)電裝置的輸出電能要解決的關(guān)鍵問題。

普通電解電容具有充電速率快和充電電路簡單的優(yōu)點，可以在壓電振子發(fā)電量極小的情況下快速充電，但由于存儲容量小、自由狀態(tài)下易漏電等缺點，只能為微電子設(shè)備提供短暫性、間歇性的能量。超級電容具有容量大、壽命長、過電壓不擊穿和自由狀態(tài)下不漏電等優(yōu)點，可以代替普通電容作為一種連續(xù)、穩(wěn)定的電源。作為壓電發(fā)電裝置第一級的電荷收集非常合適。鋰電池具有能量密度高、生命周期長和容量保持性好的特點，也適合作為第二級的能量存儲。

所以本方案采用了一個1F的超級電容作為第一級的電荷收集儲能元件，采用了鋰電池作為第二級能量存儲元件。轉(zhuǎn)換和存儲整體電路圖如圖5所示。

輸入為壓電陶瓷的輸出電壓，是交變電壓。經(jīng)過整流橋D3整流和電容C3、C1濾波后，變?yōu)橹绷麟妷?。MAX666為美國MAXIN公司生產(chǎn)的微功耗、低壓差CMOS線性穩(wěn)壓集成電路，其輸入電壓范圍為2～16.5 V，輸出電壓既可為5 V固定輸出又可為1.3～16 V可調(diào)式輸出，最大輸出電流為40 mA。本電路為3.7 V輸出，對超級電容C2充電。

圖5 轉(zhuǎn)換和存儲整體電路圖

MAX666的管腳引線功能簡介表1所示。

表1 MAX666的管腳引線功能簡介

1.4 機械部分

1.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)境振動驅(qū)動微型壓電發(fā)電裝置的裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和裝置整體外觀圖如圖6和圖7所示，由一塊壓電彈簧片、數(shù)片壓電陶瓷、可調(diào)金屬重物、硬塑底座、透明上殼和電路板組成的。

圖6 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

壓電陶瓷片：壓電振子是由表面覆蓋電極且具有一定形狀的壓電陶瓷片制成。把壓電陶瓷與銅連接在一起構(gòu)成壓電復合振子。如圖8所示為薄圓板結(jié)構(gòu)壓電復合振子結(jié)構(gòu)模型。

圖7 裝置整體外觀圖

圖8 薄圓板壓電結(jié)構(gòu)模型

1.4.2 設(shè)計理念

在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，壓電彈簧片的平均應(yīng)變越大，高應(yīng)變能區(qū)間越大，壓電陶瓷布置在壓電彈簧片上的數(shù)量越多，壓電陶瓷從外界吸收的能量越大，發(fā)出的電能越多。壓電彈簧片的最大位移越大，壓電彈簧片達到最大位移的時間越長，振動的空間受到限制，壓電陶瓷發(fā)出的電能不理想。由于壓電彈簧片處于高頻率振動，壓電彈簧片受到的最大應(yīng)力越大，其抵抗破壞的能力(強度)越差，抵抗彈性變形的能力(剛度)越差。

1.4.3 壓電彈簧片仿真分析及試驗測試

利用ANSYS有限元分析軟件，通過采用控制變量法對直徑為20 mm的壓電陶瓷，壓電彈簧片面積為1×104mm2，不同尺寸，不同材料的振動片進行靜力學分析和模擬分析得出壓電彈簧片的最大應(yīng)力、最大位移、應(yīng)變分布情況，從而確定最佳材料和尺寸的壓電彈簧片。

壓電陶瓷直徑為20 mm、壓電彈簧片面積為1×104mm2，對Fe2O、Steel、PVC、鋁合金，改變其尺寸，進行靜力學分析和模擬分析得出如表1、表2、表3、表4的實驗數(shù)據(jù)。

表2 Fe2O壓電彈簧片仿真分析

表3 Steel壓電彈簧片仿真分析

表4 PVC壓電彈簧片仿真分析

表5 鋁合金壓電彈簧片仿真分析

1.4.4 仿真測試試驗結(jié)果分析

壓電彈簧片面積一定時，規(guī)格為200 mm×50 mm×1.5 mm壓電彈簧片的高應(yīng)變能區(qū)域面積是最大的，即壓電陶瓷有效的布置面積最大，因此在這區(qū)域內(nèi)可以布置的壓電陶瓷片數(shù)量也就最多。

規(guī)格為330 mm×30 mm×1.5 mm振動薄片，經(jīng)仿真分析，其局部最大應(yīng)力為340 MPa，而壓電彈簧片長期要處于高頻振動，其剛度和強度較差，因此局部的高應(yīng)力會大大縮短壓電彈簧片的壽命。

規(guī)格為120 mm×80 mm×1.5 mm振動薄片，局部應(yīng)力很小，但是由于長度短造成了其平均應(yīng)變很小，其應(yīng)變能也隨著變小，不能為壓電陶瓷提供足夠高的能量。

結(jié)論：在尺寸方面，200 mm×50 mm×1.5 mm規(guī)格是最理想的。

不同材料之間(研究規(guī)格為200 mm×50 mm×1.5 mm的振動薄片)：

1)對比三種金屬材料，F(xiàn)e2O和鋁合金材料綜合性能是比較理想的，Steel鋼由于硬度過高，其局部應(yīng)力較大，應(yīng)變小于其它三種材料，因此不能符合壓電陶瓷的應(yīng)變要求。

2)對比Fe2O和鋁合金材料，可知Fe2O應(yīng)變和高應(yīng)變能區(qū)間都要比鋁合金材料略高，而壓電彈簧片最大位移和最大應(yīng)力要比鋁合金材料稍小，因此Fe2O的應(yīng)變綜合性能要比鋁合金材料更好。

3)對比Fe2O和PVC材料，在局部應(yīng)力方面，PVC材料要比Fe2O小得多，而且在應(yīng)變和高應(yīng)變能區(qū)間方面，PVC材料要比Fe2O高，從這幾方面來看，PVC材料綜合性能比較好，但PVC的最大位移是Fe2O材料的2倍還多，這表明在滿足應(yīng)變需求的前提下，PVC的壓電彈簧片達到最大位移的時間越長，振動的空間受到限制，壓電陶瓷發(fā)出的電能不理想。

結(jié)論：在材料方面，F(xiàn)e2O材料的振動片的綜合性能是最佳的。

綜上所述： 200 mm×50 mm×1.5 mm規(guī)格的Fe2O壓電彈簧片的平均應(yīng)變、高應(yīng)變能面積比較大，可布置的壓電陶瓷數(shù)量多，壓電陶瓷從外界吸收的能量大，發(fā)出的電能最為理想，其最大位移、最大應(yīng)力比較小，壓電彈簧片的剛度和強度較好，振動空間較為理想，因此選擇200 mm×50 mm×1.5 mm規(guī)格的Fe2O壓電彈簧片作為慣性振動式壓電發(fā)電裝置的振動片。

Fe2O壓電彈簧片仿真模擬(200 mm×50 mm×1.5 mm規(guī)格)如圖9、圖10、圖11所示。

圖9最大應(yīng)力仿真模擬 圖10最大位移仿真模擬

圖11 應(yīng)變仿真模擬

2 壓電發(fā)電的基礎(chǔ)理論

2.1 壓電效應(yīng)

當對壓電陶瓷施加一個與極化方向平行的壓力F，如圖12(a)，晶體將產(chǎn)生壓縮形變(圖中虛線)，晶體內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當壓力撤消后，晶體恢復原狀(這是一個膨脹過程)，晶體內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。相反的，若在壓電晶體上加一個與極化方向相同的電場，如圖12(b)，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，晶體內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，晶體沿極化方向產(chǎn)生伸長形變(圖中虛線)。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則晶體沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。

(a)正壓電效應(yīng) (b)逆壓電效應(yīng)

圖12壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

2.2 壓電材料的介紹

壓電材料品種很多，性能各異，主要有壓電晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復合材料、玻璃陶瓷和弛豫電單晶體等。其中，壓電陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能，應(yīng)用也最為廣泛。

壓電陶瓷比任何單晶體材料具有多方面的適應(yīng)性，在物理和化學性質(zhì)上，比一般晶體也要好得多，并且可以做成任何需要的形狀和大?。煌瑫r，可以自由選擇其極化方向，加工成本較低。作為換能元件，壓電陶瓷可以通過改變壓電陶瓷的化學成分組成或添加雜質(zhì)改變其各方面的性能，以適應(yīng)各種不同的用途。壓電陶瓷通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換，即使在靜態(tài)和準靜態(tài)條件下工作，也能轉(zhuǎn)換K2W機的電能(K是機電耦合系數(shù)，K2是衡量機電能量轉(zhuǎn)換的能力)。選擇其中壓電系數(shù)d高，機械強度高，反復加壓后性能穩(wěn)定，介電常數(shù)較大的材料，可作為較理想的發(fā)電工作物質(zhì)。

其中，機電耦合系數(shù)K是表示壓電體中機械能與電能之間相互耦合程度的一個參數(shù)，是衡量壓電性能優(yōu)劣的一個綜合物理量。它的定義為：

機電耦合系數(shù)K值主要由壓電材料的種類確定，壓電材料的機電耦合系數(shù)在不同需要場合有不同的追求，當制作壓電發(fā)電裝置時，機電耦合系數(shù)越大越好。

相對介電常數(shù)ε反映材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)。不同用途的壓電元件對相對介電常數(shù)要求也不相同。通常壓電元件在高頻狀態(tài)工作時，相對介電常數(shù)ε要小，反之要大一些。

壓電應(yīng)變常數(shù)d是表示當在壓電陶瓷上施加電壓時，它就會產(chǎn)生某種變形，反映這種電學量與變形量(或力學量)之間的關(guān)系的就是壓電應(yīng)變常數(shù)。其定義(無外力作用時)為：

d值越大，表明電-機轉(zhuǎn)換性能越好。

表6 幾種型號的壓電陶瓷的壓電介電性能

壓電陶瓷中的PZT-5具有高機電耦合系數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，各機電參數(shù)具有良好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，適合作為壓電振動微型發(fā)電機的換能元件材料。

2.3 壓電陶瓷的串聯(lián)與并聯(lián)

為了使壓電發(fā)電裝置在較小的激勵強度、較寬的頻率范圍內(nèi)都具有發(fā)電能力，可以采用多個壓電陶瓷并聯(lián)或串聯(lián)的壓電振子結(jié)構(gòu)方式。

圖13(a)為并聯(lián)方式，片上的負極集中在中間極上，其輸出電容C＇為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q＇為單片電荷量q的兩倍，即q＇=2q，U＇=U，C＇=2C。

圖13(b)為串聯(lián)方式，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q＇等于單片電荷q，而輸出電壓U＇為單片電壓U的二倍，總電容C＇為單片電容C的一半，即q＇=q，U＇=2U，C＇=C/2。從而可知，若采用并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合；若采用串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。

由于壓電陶瓷的內(nèi)阻很大，輸出電流很小，所以本裝置采用多片壓電陶瓷并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)可以提高壓電振子輸出的電流，串聯(lián)可以提高壓電振子的輸出電壓，為后面轉(zhuǎn)換提供足夠的功率。

(a)并聯(lián)型 (b)串聯(lián)型

3 實驗及制作

3.1 實驗預測方案

通過初步對單片壓電陶瓷片進行測試，電壓在4～15 V之間變化，電流為20～30 uA之間，進行理論計算。本裝置采用多片壓電陶瓷片并聯(lián)同時進行串聯(lián)如圖14和圖15所示，設(shè)每片的電流為i，電壓為v，壓電振子輸出的總電流為I，總電壓為V總共使用了2n片壓電陶瓷片，分成P1、P2兩組分別進行并聯(lián)，貼在壓電彈簧片的兩邊，貼在壓電彈簧片的兩組壓電陶瓷片的極性方向相同。根據(jù)3.3壓電陶瓷的串聯(lián)和并聯(lián)的原理可以得到下面的公式：

I=ni

(1)

V=2v

(2)

當取n=6時，經(jīng)計算總電流在120～180 uA之間，總電壓在8～30 V。

圖14壓電振子正面 圖15壓電振子反面

3.2 實物實驗測試

實驗采用的壓電陶瓷片：PZT-5換能陶瓷片；實驗采用的壓電彈簧片：鋼尺改裝后的鋼板；實驗采用的測量工具：DT9205N型號的萬能表；實驗采用的振動源：人工手動。

根據(jù)預測方案對實驗壓電振子產(chǎn)生的電壓進行了5次測量，實驗數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 壓電振子測試電壓表

根據(jù)預測方案對實驗壓電振子產(chǎn)生的電流進行了5次測量，實驗數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 壓電振子測試電流表

經(jīng)過實驗實際測試得的總電流在60～70 uA之間,電壓在8～20 V之間，理論跟實際測試出現(xiàn)很大的誤差，所以預測方案不成立，需研究找出解決方法并對方案進行改進。

3.3 發(fā)現(xiàn)問題及分析原因

理想狀況下是可以達到理論預測值的，但是實驗是在非理想狀況下進行的，通過上面數(shù)據(jù)可知電流和電壓都比理論值小，電壓誤差不大，電流誤差很大，通過查找資料和對實驗器件和儀器的分析，預測出產(chǎn)生誤差的原因如下：

壓電陶瓷片的內(nèi)阻很大而且阻值不一；壓電陶瓷片貼在彈簧振子的位置不一樣，形變程度不一樣，產(chǎn)生電流電壓的初相不一樣，導致部分電壓電流被抵消掉；導線和彈簧片存在電阻，形成壓降，電流也變?。浑娙f能表存在必然誤差和偶然誤差和表筆接觸不良；采用的人工手動作為振動源，存在很大的隨機性和不穩(wěn)定性；彈簧片的硬度和厚度太大，產(chǎn)生的形變不大。

應(yīng)對措施：采用導電性能更好的導線；不要直接利用彈簧片作為導電物質(zhì)，因為采用的彈簧片電阻一般導線大，且不同材料的彈簧片電導率不同；在不損壞壓電陶瓷片的前提下，選取硬度和厚度比較小，寬度比較大的彈簧片，使壓電陶瓷片產(chǎn)生最大的形變，而且初相基本一致；采用頻率可調(diào)的穩(wěn)定振源，將振源的頻率調(diào)到跟壓電振子固有頻率一致，使壓電振子達到共振，產(chǎn)生最大的電流和電壓，而且壓電振子可以提供穩(wěn)定功率。

3.4 根據(jù)分析結(jié)論進行試驗證明

3.4.1 改變導線對比實驗

用作電線電纜的導電材料，通常有銅和鋁兩種。銅材的導電率高，50 ℃時的電阻系數(shù)，銅為0.020 6 Ω·mm2/m，鋁為0.035 Ω·mm2/m；載流量相同時，鋁線芯截面約為銅的1.5倍，采用銅線芯損耗比較低。由于導線的內(nèi)阻很小，對壓電振子的影響很小，所以現(xiàn)在不做實際測試，而是選用銅導線。同時考慮到壓電陶瓷片跟焊錫的相容性很差，焊接時出現(xiàn)導線很難粘附于壓電陶瓷片表面，而且在強烈振動的環(huán)境下易脫落，焊點接觸不良，導致壓電振子內(nèi)阻變大。本方案經(jīng)過深入研究，決定采用導電膠帶作為導電材料，導電膠帶不但具有優(yōu)良的導電性能而且粘附性極強，方便連接各壓電陶瓷片，選用雙面導電膠帶連接壓電陶瓷片的一極和彈簧片，單面導電膠帶連接壓電陶瓷片的另一極。

導電膠帶參數(shù)如下：

材質(zhì)：銅(Cu) 99.98%；基材厚度：0.018～0.05 mm；膠粘厚度：0.035～0.04 mm；膠體成分：普通壓敏膠(不導電)和導電壓克力壓敏膠；剝離力：1.0～1.5 kg/25 mm(180°反向剝力力測試)；耐溫性-10～120 ℃；張力強度4.5～4.8 kg/mm；伸長率7%～10%MIN。

3.4.2 改變壓電陶瓷片對比實驗

任意選取10片壓電陶瓷片分別用萬能表測量阻值如表9所示。

表9 改變壓電陶瓷片測試阻值表

結(jié)論：壓電陶瓷片阻值很大，而且相對誤差不大，不是影響壓電振子輸出的主要因素。

3.4.3 改變壓電彈簧片的參數(shù)對比實驗

200 mm×50 mm×1.5 mm規(guī)格的Fe2O振動片的平均應(yīng)變、高應(yīng)變能面積比較大，可布置的壓電陶瓷數(shù)量多，壓電陶瓷從外界吸收的能量大，發(fā)出的電能最為理想，其最大位移、最大應(yīng)力比較小，振動片的剛度和強度較好，振動空間較為理想，因此選擇200 mm×50 mm×1.5 mm規(guī)格的Fe2O振動片作為慣性振動式壓電發(fā)電裝置的振動片。這是相對于多片壓電陶瓷片組成的整個系統(tǒng)的理論分析，下面將對兩片串聯(lián)的壓電陶瓷片進行實驗實踐。

影響壓電振子輸出的因素主要有壓電彈簧片的長度、寬度、厚度、振動源的頻率，壓電彈簧片的長度、寬度、厚度，但是因為實驗現(xiàn)階段還沒定制專用的壓電陶瓷片，所以本實驗僅限于改變壓電彈簧片的參數(shù)和振動源的頻率，以后定制專用的壓電陶瓷片將會大大提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電功率。

3.4.3.1 壓電振子長度對電壓輸出特性的影響

壓電振子的寬度為20 mm，基板厚度為2 mm，壓電晶片厚度為0.2 mm。在其它性能參數(shù)不變的情況下，將壓電振子長度作為變量，分別取30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm，110 mm，120 mm，當在懸臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力時，得到實際測量值如表10所示。

表10 壓電振子長度對電壓輸出特性的影響測試電壓表

由表10可知，在外力激勵條件一致時，隨著壓電振子長度的增加壓電振子的輸出電壓增大。

3.4.3.2 壓電振子寬度對電壓輸出特性的影響

壓電振子基板的長度為60 mm，厚度為2 mm，壓電晶片厚度為0.2 mm。分別取寬度為10 mm，20 mm，30 mm, 40 mm，50 mm，當在懸臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力時，得到實際測量值如表11所示。

表11 壓電振子寬度對電壓輸出特性的影響測試電壓表

由此可以看出，在其它所有參數(shù)條件不變的情況下，輸出電壓隨壓電振子寬度的增加而減小。

3.4.3.3 振子厚度對電壓輸出特性的影響

壓電振子的長度為60 mm，寬度為20 mm，基板厚度分別取1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm，在其它性能參數(shù)不變的情況下，當在懸臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力時，得到實際測量值如表12所示。

表12 振子厚度對電壓輸出特性的影響測試電壓表

3.4.3.4 振動頻率對壓電振子產(chǎn)生電壓的影響

壓電振子與周圍設(shè)備共振時，振動最為劇烈，產(chǎn)生的電壓也最大。為了研究不同振動頻率對壓電振子產(chǎn)生電壓的影響，選取PZT-5換能陶瓷片，金屬片的尺寸為200 mm×50 mm×1.5 mm的壓電振子，并在壓電振子的自由端粘貼了尺寸為14 mm×5 mm×5 mm，質(zhì)量為2.56g的質(zhì)量塊。得到的實驗數(shù)據(jù)如表13所示。

表13 不同振動頻率壓電振子產(chǎn)生的電壓

繪制振動頻率對產(chǎn)生電壓的影響規(guī)律如表13所示?？梢钥闯?，隨著振動頻率的增大，壓電振子產(chǎn)生的電壓也逐漸增大，當振動頻率為38.1 Hz時壓電振子產(chǎn)生的電壓也達到了最大為8.3 V。此時壓電振子劇烈振動，當振動頻率繼續(xù)增大時，壓電振子振動反而減弱，電壓值也逐漸下降，當振動頻率大于60 Hz時，實驗臺振動非常劇烈，可見，壓電振子的固有頻率約為38.1 Hz。

日常生活環(huán)境中的振動源產(chǎn)生最大加速度時的主要頻率分布在500 Hz以內(nèi)。汽車行駛中傳動機構(gòu)及來自路面的振動頻率為400～2 000 Hz。微電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境頻率有時高達上萬赫茲。通過對環(huán)境振動的測試結(jié)果分析可知，環(huán)境振動頻率分布廣泛，加速度強弱也有很大差別，采用環(huán)境振動驅(qū)動的壓電發(fā)電裝置應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境進行合理的設(shè)計，讓輸出的能量保持最大，滿足用電設(shè)備的功耗要求。環(huán)境中的各種振動激振源情況如表14所示。

表14 環(huán)境振動激振源情況列表

由表14可知，小汽車發(fā)動機和卡車發(fā)動機的峰值加速度的頻率在37～40 Hz左右，而設(shè)計的壓電發(fā)電裝置的固定頻率為38.1 Hz，所以運用在小汽車和卡車上可以達到共振，讓輸出的能量達到最大。而且設(shè)計的壓電發(fā)電裝置里面具有可調(diào)金屬重物，可以根據(jù)運用的環(huán)境調(diào)節(jié)壓電發(fā)電裝置的固定頻率，使壓電發(fā)電裝置達到共振，可見設(shè)計的壓電發(fā)電裝置具有很強的移植能力和適應(yīng)能力，能夠滿足大部分用電設(shè)備的需求。

3.5 裝置制作

3.5.1 電路部分制作

根據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲整體電路圖焊接電路如圖16所示。

圖16 轉(zhuǎn)換和存儲整體電路實物圖

3.5.2 機械部分制作

利用軟件PROE繪畫裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和裝置整體外觀圖如圖17、18所示。

圖17裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖18裝置整體外觀圖

4 設(shè)計制作中關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 電路部分的關(guān)鍵技術(shù)問題

通過比較各種整流電路，選擇效率最高而且適合本裝置的整流電路，盡量減少在整流時損耗的能量，提高整個裝置的效率。

通過設(shè)計濾波穩(wěn)壓儲能電路，選擇低功耗穩(wěn)壓芯片，采用超級電容作為第一級存儲元件，鋰電池作為第二級存儲元件，盡量減少在穩(wěn)壓儲能時損耗的能量，同時為鋰電池提供穩(wěn)定的充電功率。

4.2 機械部分的關(guān)鍵技術(shù)問題

基于PROE建模，ANSYS分析，并采用控制變量法，研究了不同因素對振動片變形的影響程度，確定了振動片的最佳材料和最優(yōu)尺寸。

根據(jù)仿真軟件分析出來的理論方向進行實驗實測，采用控制變量法，分別改變壓電彈簧片的長度、寬度、厚度、振動源的頻率，記錄不同參數(shù)下壓電振子輸出的電壓，找出最合適參數(shù)，使壓電振子輸出的功率最大。

通過比較不同的材料壓電陶瓷片，選擇PZT-5的壓電陶瓷，它具有高機電耦合系數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，各機電參數(shù)具有良好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，適合作為壓電振動微型發(fā)電機的換能元件材料。

為了方便實驗測試，本實驗暫時是采用一般的PZT-5換能陶瓷片，所以輸出的功率偏低，現(xiàn)已經(jīng)聯(lián)系了青島國林壓電科技有限公司，該公司已經(jīng)有生產(chǎn)壓電發(fā)電片，為了提高壓電發(fā)電片的功率和本裝置的需求，該公司已經(jīng)在研制更合適的壓電發(fā)電片。

通過實驗，比較不同導電材料對本裝置的適用性，最終采用了導電膠帶，該膠帶具有優(yōu)良的導電性能而且粘附性極強，克服了壓電陶瓷片跟金屬不相容性，使壓電振子在高強度的振動下，仍能牢固不會脫落。

5 創(chuàng)新特色

5.1 利用環(huán)境振動能量發(fā)電

環(huán)境振動是環(huán)境污染的一個方面，鐵路振動、公路振動、地鐵振動、工業(yè)振動均會對人們正常的生活和休息產(chǎn)生不利影響。過量振動會使人不舒適、疲勞，甚至會導致人體損傷。其次，振動會形成噪聲源，以噪聲形式影響或污染環(huán)境。通過利用本裝置，不但能夠利用環(huán)境的振動能量發(fā)電，有效地緩解能源危機，而且還能減小環(huán)境中的振動污染，從根源上解決噪聲的產(chǎn)生。

5.2 集成度高、能量密度高、環(huán)保節(jié)能

本裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，集成度高，經(jīng)不斷改進后，可以制成手機電池大小，可直接利用于各種移動電子設(shè)備。而且經(jīng)改裝后的裝置能量密度高，像手機電池大小或者更小的裝置就足以為一般電子設(shè)備提供電源。同時本裝置不同于一般的化學電池，它采用的材料無輻射污染，無化學污染，對人體和環(huán)境無害，可以直接運用于生活中的電子設(shè)備中。如果對本裝置進行開發(fā)利用，可減少化學電池中有害物質(zhì)的排放，做到節(jié)能減排。

5.3 壽命長、能量可靠、對環(huán)境適應(yīng)性強

本裝置采用壓電陶瓷片作為發(fā)電元件，壓電彈簧片采用合理的參數(shù)，經(jīng)理論預測，可運用十年左右。環(huán)境振動無處不在，無時不在，只有有振動能量的存在，本裝置就能穩(wěn)定發(fā)電，存儲電能，所以能量可靠。至今，人們已經(jīng)開發(fā)了太陽能電池、風能發(fā)電裝置、溫差發(fā)電裝置等電源，但環(huán)境依賴性強、在不滿足其環(huán)境要求下無法持續(xù)提供電能。而本裝置只要所處的環(huán)境有振動就能發(fā)電，對環(huán)境適應(yīng)性強。

5.4 運用范圍廣、價格便宜、可產(chǎn)品化、易推廣，具有很大市場價值

本裝置經(jīng)改裝后可廣泛運用于手機、mp3、數(shù)碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、商務(wù)通等電子產(chǎn)品，列車、汽車、野外等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，如果批量生產(chǎn)，價格可以降低到一般電池的價位，針對不同的用電設(shè)備采用不同的穩(wěn)壓芯片，既可以輸出不同電壓和功率，供應(yīng)給不同的用電設(shè)備，所以很容易推廣，具有很大的市場價值。

5.5 主要技術(shù)指標

本裝置的最大轉(zhuǎn)換效率可以達到35%，是太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的三倍；平均輸出功率達到最大值100 mW，一般手機的耗電功率為0.27 mW；將95%的電能有效地使用到用電設(shè)備上；平均使用壽命可以達到10年；未經(jīng)改進前的體積是160 cm3，重量是100 g左右，改進后可以達到12 cm3，重量達到20 g左右。

6 預計應(yīng)用前景

隨著能源危機的逼近，尋求其他新能源勢在必行，而利用環(huán)境中的振動能量發(fā)電具有相當可觀的發(fā)展前景。環(huán)境振動是環(huán)境污染的一個方面，鐵路振動、公路振動、地鐵振動、工業(yè)振動不但會造成能量的極大浪費而且會對人們的正常生活和休息產(chǎn)生不利的影響。而本裝置正是巧妙地利用環(huán)境中的振動能量發(fā)電，同時能夠減少振動污染，對人體和環(huán)境無害，無輻射污染和無化學污染，環(huán)保節(jié)能，可以廣泛運用于手機、mp3、數(shù)碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、商務(wù)通等電子產(chǎn)品，列車、汽車、野外等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。本裝置經(jīng)改進后體積小、重量輕、集成度高，可直接利用于各種移動電子設(shè)備。如果批量生產(chǎn)，價格可以降低到一般電池的價位， 針對不同的用電設(shè)備采用不同的穩(wěn)壓芯片，既可以輸出不同電壓和功率，供應(yīng)給不同的用電設(shè)備，所以很容易推廣，具有很大的市場價值。

7 產(chǎn)品推廣

本裝置經(jīng)過精心挑選高輸出功率的壓電發(fā)電片，采用集成轉(zhuǎn)換電路，采用環(huán)保而且體積小儲能元件，就可以大大地減小本裝置的體積。它采用了凌力爾特公司設(shè)計制造的LTC3588-1壓電式能量收集芯片，該芯片集成了一個低損失全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器。還采用了青島國林壓電科技有限公司的高輸出功率的壓電發(fā)電片，如果再深入研究，可以把壓電發(fā)電片、轉(zhuǎn)換電路、儲能元件集成在一個芯片上，可以為大部分電子設(shè)備提供電源。所以本裝置不但有很好的研究前景，而且具有很大的市場價值。