預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控與俘能效果研究

摘" 要：該文主要探究預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控與俘能測量系統(tǒng)的設(shè)計要點，并對其俘能效果展開分析。以THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片為核心設(shè)計預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控與俘能測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由簡支基座、振動臺及其驅(qū)動裝置、電壓采集裝置等組成。測試表明，在負載和振動加速度相同情況下，施加彈簧產(chǎn)生應(yīng)力可以讓預(yù)應(yīng)力壓電俘能器的開路電壓有效值穩(wěn)定增加；在負載、振動加速度和電場強度相同情況下，施加彈簧后預(yù)應(yīng)力壓電俘能器的輸出功率相比于未施加彈簧時提升80%，驅(qū)動位移提升約89%。由此可得，施加彈簧后通過改變彈簧彈性系數(shù)實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力的靈活調(diào)控，能顯著增強其俘能效果。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力壓電俘能器；彈性系數(shù)；振動加速度；驅(qū)動位移；振動頻率

中圖分類號：TM619" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0052-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of the stress control and energy capture measurement system of the prestressed piezoelectric energy capture device， and analyzes its energy capture effect. The stress regulation and energy capture measurement system of the prestressed piezoelectric energy harvester is designed with the THUNDER prestressed piezoelectric single crystal wafer as the core. The system consists of a simply supported base， a vibration table and its driving device， a voltage collection device， etc. Tests have shown that when the load and vibration acceleration are the same， the stress generated by the spring can stably increase the effective value of the open-circuit voltage of the prestressed piezoelectric energy harvester; when the load， vibration acceleration and electric field strength are the same， the output power of the prestressed piezoelectric energy harvester is increased by 80% compared with when the spring is not applied， and the driving displacement is increased by 89%. It can be obtained that the stress of the prestressed piezoelectric energy harvester can be flexibly controlled by changing the spring elastic coefficient after the spring is applied， and its energy harvesting effect is significantly enhanced.

Keywords： prestressed piezoelectric energy harvester; elastic coefficient; vibration acceleration; driving displacement; vibration frequency

在壓電材料的使用過程中，如何提高壓電俘能效率成為決定壓電材料應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段施加預(yù)應(yīng)力仍然是壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控最主要的方法，根據(jù)調(diào)控手段的不同，又可分為改變磁鐵的磁力、彈簧的彈力以及千分尺的距離等方法。理論上來說，上述方法都能達到施加并調(diào)控壓電俘能器應(yīng)力的效果，進而實現(xiàn)改善壓電材料性能和俘能器驅(qū)動性能等目的。但是在實際應(yīng)用中，還必須考慮成本、穩(wěn)定性、安裝條件等因素。在這一背景下，預(yù)應(yīng)力壓電單晶片能夠較好地滿足俘能器應(yīng)力調(diào)控的實際需求，并且取得良好的俘能效果，因此得到了廣泛應(yīng)用。

1" 預(yù)應(yīng)力單晶片的選型

預(yù)應(yīng)力壓電結(jié)構(gòu)通過向壓電晶體施加一定應(yīng)力，達到改善壓電晶體性能的效果。其中預(yù)應(yīng)力壓電單晶片具有體積小巧、性能可靠、帶載能力強和驅(qū)動位移大等優(yōu)勢，成為現(xiàn)階段各領(lǐng)域常用的預(yù)應(yīng)力壓電結(jié)構(gòu)。本文在設(shè)計應(yīng)力調(diào)控系統(tǒng)時，可供選擇的預(yù)應(yīng)力壓電單晶片有RAINBOW型、THUNDER型以及LIPCA型3種。綜合對比后，選擇了比較常用且造價較低的THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片，其結(jié)構(gòu)整體上呈拱形，由上下2層結(jié)構(gòu)組成：上層為金屬鋁表層，下層為壓電陶瓷層，層間使用熱金屬黏結(jié)劑固定。當(dāng)加工環(huán)境從高溫（325 ℃）、高壓（240 kPa）變?yōu)槌?、常壓后，因為上?層材料的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生彎曲進而形成拱形。在冷卻結(jié)束后，對壓電材料做極化處理，即可使其恢復(fù)壓電屬性，并且在復(fù)雜環(huán)境下能保持良好的驅(qū)動特性[1]。THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的常見形狀有長方形、正方形與圓盤形，本文選用長方形，尺寸（長寬厚）為63.2 mm×13.7 mm×12.7 mm。

2" 預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控與俘能測量系統(tǒng)的設(shè)計

為了探究預(yù)應(yīng)力壓電俘能器的應(yīng)力調(diào)控與俘能效果，以THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片為核心設(shè)計了預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控與俘能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含以下3部分。

簡支基座由底板和2個對稱分布的約束機構(gòu)組成，左側(cè)約束機構(gòu)通過螺栓固定在底板上，可以轉(zhuǎn)動，不能移動；右側(cè)約束機構(gòu)不固定，既能轉(zhuǎn)動，也能移動。為了方便調(diào)節(jié)施加在THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片上的應(yīng)力，將一根彈簧分別掛在THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的兩端，通過調(diào)節(jié)彈簧兩端的約束機構(gòu)，使壓電層獲得不同程度的張應(yīng)力。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

振動臺及其驅(qū)動裝置采用JZK-5型振動臺，可以通過內(nèi)置的信號發(fā)生器釋放一個正弦激勵信號，該信號經(jīng)過功率放大器放大后作用于振動臺，通過調(diào)節(jié)正弦激勵信號的頻率與大小，可以獲得不同的振動加速度、振動頻率和振動幅度[2]。

電壓采集裝置用于采集俘能電路中的電壓信號，并通過示波器直觀顯示電壓波形。

預(yù)應(yīng)力壓電俘能器應(yīng)力調(diào)控與俘能測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

3" 預(yù)應(yīng)力俘能器俘能效果測量

3.1" 測試步驟

將預(yù)應(yīng)力壓電俘能器置于振動臺中心處，分別選擇振動頻率、振動加速度、質(zhì)量塊3個變量，探究在無彈簧和有彈簧2種情況下THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的輸出電壓特性。測試步驟如下。

步驟1：保持激振信號頻率不變，以激振加速度作為唯一變量，測定THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的開路電壓有效值，以及在負載R值為90 kΩ時的電壓有效值。

步驟2：保持激振加速度不變，以激振信號頻率作為唯一變量，將信號頻率分別設(shè)定為50、55、…、95、100 Hz。測定THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的開路電壓有效值，以及在負載R值為90 kΩ時的電壓有效值[3]。

步驟3：在THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的中心區(qū)域分別放置了1個質(zhì)量為5 g、1個質(zhì)量為10 g的鐵塊，并重復(fù)步驟1和步驟2。以上步驟是測定無彈簧時THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的輸出電壓特性的。

步驟4：在THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的兩側(cè)掛上一個初始長度為18 mm、彈性系數(shù)K=60 N/m的彈簧，重復(fù)步驟1—3。

步驟5：在THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的兩側(cè)掛上一個初始長度為35 mm、彈性系數(shù)K=120 N/m的彈簧，重復(fù)步驟1—3。步驟4和5是測定有彈簧時THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的輸出電壓特性的。

3.2" 測量結(jié)果

3.2.1" 不同實驗條件下的開路電壓有效值

當(dāng)質(zhì)量塊為10 g，振動加速度分別為30、35、40 m/s2時，將彈簧系數(shù)分別設(shè)定為20、40、…、100、120 N/m（彈簧系數(shù)為0表示沒有加彈簧），統(tǒng)計各種情況下THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片在90 kΩ負載下的開路電壓有效值，結(jié)果見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，在相同的振動加速度下，施加彈簧并且增加彈簧的彈性系數(shù)，可以讓THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的開路電壓有效值穩(wěn)定增加，并且開路電壓有效值與諧振頻率為負相關(guān)[4]。

3.2.2" 不同實驗條件下的輸出功率

當(dāng)振動加速度為40 m/s2，彈性系數(shù)分別為0、60、120 N/m時，將振動頻率分別設(shè)定為40、50、…、80、90 Hz，統(tǒng)計各種情況下THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片在90 kΩ負載下的輸出功率，結(jié)果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，在未施加彈簧時，THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的最大輸出功率僅為2.5 mW；在施加彈簧后，THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的輸出功率有了明顯增加。當(dāng)彈簧彈性系數(shù)為60 N/m時，最大輸出功率為4.2 mW；當(dāng)彈簧彈性系數(shù)為120 N/m時，最大輸出功率達到了4.5 mW，相比于未施加彈簧時輸出功率提升了80%。

3.2.3" 不同實驗條件下的輸出電壓波形

將振動信號頻率設(shè)定為80 Hz，負載為90 kΩ，分別探究未放置質(zhì)量塊，以及放置1個5 g質(zhì)量塊時THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的輸出電壓波形，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，增加質(zhì)量塊可以讓輸出電壓波形更加規(guī)律，分析其原因為加入質(zhì)量塊后減少了THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片在振動過程中的不規(guī)律抖動，從而得到了更加完美的輸出電壓波形。

4" 俘能結(jié)果分析與討論

根據(jù)“線性壓電”理論，壓電量的靜態(tài)能量密度（U）可通過下式求得

式中：D31表示壓電系數(shù)；T表示所受應(yīng)力；α表示介電常數(shù)。使用數(shù)字電容表可以獲得THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片在彈簧不同彈性系數(shù)下的等效電容。記錄并對比等效電容值，發(fā)現(xiàn)多次測量結(jié)果顯示等效電容差值不大，說明介電常數(shù)無明顯變化[5]。理論上說，預(yù)應(yīng)力壓電俘能器在受到一定的張應(yīng)力后，壓電系數(shù)也會相應(yīng)的增加。

為了探究THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片在施加彈簧后壓電系數(shù)的變化情況，使用位移測量裝置進行了實驗。仍然把簡支基座固定在振動臺上，將電場強度分別設(shè)定為50、100、…、450、500 V/mm，振動頻率恒定為1 Hz，使用電渦流位移計獲取無彈簧和有彈簧（彈性系數(shù)為60 N/m）時的驅(qū)動位移值并記錄。為了提高測量精度，本實驗中使用的電渦流位移計經(jīng)標(biāo)定后對THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片頂部材料的分辨率為10 mV/μm，在實驗過程中確保電渦流位移計探頭與THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片頂部之間的距離控制在0.1～1 mm之間，使其在線性區(qū)工作。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制驅(qū)動位移與電場強度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

由圖4可知，相比于未施加彈簧，加入一個彈性系數(shù)為60 N/m的彈簧，可以讓THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片獲得更大的驅(qū)動能力，并且隨著電場強度的增加2種情況下的驅(qū)動位移差距越明顯。以電場強度500 V/mm為例，未施加彈簧時THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的驅(qū)動位移為0.082 mm；在施加彈性系數(shù)為60 N/m的彈簧后，THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的驅(qū)動位移為0.155 mm，驅(qū)動位移增加了約89%，說明經(jīng)過彈簧應(yīng)力調(diào)控后THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的俘能效果得到了明顯提升。分析其原因：施加彈簧后，彈簧產(chǎn)生的應(yīng)力作用于THUNDER預(yù)應(yīng)力壓電單晶片的壓電層并轉(zhuǎn)化為張應(yīng)力，新產(chǎn)生的張應(yīng)力使得壓電系數(shù)增加，進而使預(yù)應(yīng)力壓電俘能器獲得了更強的俘能效果。

本文通過施加不同彈性系數(shù)的彈簧進行應(yīng)力調(diào)控，在實驗過程中需要多次更換彈簧，實驗操作較為繁瑣，并且難以精確判斷彈性系數(shù)與應(yīng)力調(diào)控之間的對應(yīng)關(guān)系。針對這種情況，提出了一種采取調(diào)節(jié)彈簧長度進而調(diào)控應(yīng)力的方法，伸長后的彈簧可以先給俘能系統(tǒng)注入一個初始能量，而這種初始能量有助于提升非線性機電耦合，進而改善了俘能效果。該方法操作簡單，但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在使用鋁夾片固定THUNDER簡支梁后，已經(jīng)沒有充足的空間用于調(diào)節(jié)彈簧長度。于是轉(zhuǎn)變思路將這種調(diào)控方式應(yīng)用到THUNDER懸臂梁上，懸臂梁的一端固定，另一端可以自由活動，通過活動懸臂梁的自由端即可靈活調(diào)節(jié)彈簧長度。在實驗條件保持一致的情況下，壓電懸臂梁俘能器可以在振動過程期間產(chǎn)生更為顯著的形變，相應(yīng)地可以產(chǎn)生更多的電能，在低頻俘能中有更好的表現(xiàn)。

5" 結(jié)束語

在預(yù)應(yīng)力壓電俘能器的應(yīng)用中，通過應(yīng)力調(diào)控可以提高俘能效率，從而更好地發(fā)揮俘能器的應(yīng)用優(yōu)勢。從實驗情況來看，改進預(yù)應(yīng)力壓電俘能器的結(jié)構(gòu)，增加一個彈簧并且調(diào)節(jié)彈簧的彈性系數(shù)，可以十分方便地進行改變壓電材料所受的應(yīng)力，進而讓預(yù)應(yīng)力壓電俘能器獲得不同的俘能效果。相比于其他應(yīng)力調(diào)控方法，基于彈簧彈性系數(shù)的應(yīng)力調(diào)控具有簡便易行、效果顯著的優(yōu)勢，具有推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1] 張忠華，李哲，孟凡許.可變形式翼型鈍體的風(fēng)致振壓電俘能器[J].光學(xué)精密工程，2023（24）：3570-3579.

[2] 單小彪，隋廣東，田海港，等.潛水式尾流激振壓電俘能器的輸出性能研究[J].機械工程學(xué)報，2022（20）：101-102.

[3] 程廷海，劉文博，盧曉暉.動態(tài)氣體載荷下磁力輔助式壓電俘能器設(shè)計與實驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2021（9）：21-22.

[4] 范媛媛，王其權(quán)，桑英軍.基于ANSYS軟件的壓電和電磁復(fù)合式振動俘能器設(shè)計[J].首都師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2022（4）：8-10.

[5] 王曼，侯成偉，孟金棚，等.磁力非線性耦合的I-L組合壓電梁俘能器發(fā)電性能試驗研究[J].振動與沖擊，2022（3）：6-8.

作者簡介：尚正（1990-），男，碩士研究生，副主任設(shè)計師，副部長。研究方向為機電引信開發(fā)、科技管理。