（固体力学专业论文）基于压电材料的振动能量采集技术的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文研究的是利用压电材料的正压电效应，设计为电子设备供能的压电 能量收集技术。压电材料是一种机电耦合材料，可将机械振动能量转换为电 能，反之也可以将电能转换成机械振动能。利用压电材料将周围环境的振动 能量转换为电能的装置即为压电能量获取系统。 本文的目标是利用压电片的应变获得电流，该电流经由整流电路转换成 直流，然后经d c 升压电路后输出稳定直流电压，再由电源管理芯片对锂电 池充电进行控制。由于压电装置产生的电流只有几微安，无法直接驱动d c 升压电路，利用整流电路整流，然后电流对超级电容充电，驱动d c 升压电 路和电源管理电路，由锂离子电池对产生的电能进行收集。基于上述目标， 将研究的内容分为以下几部分： 1 压电陶瓷是压电发电装置中的基本元件。基于压电理论分析了压电 材料在振动条件下的力学一电学等效模型、工作模式，并推导出产生能量的 数学表达式，分析了压电材料产生能量转换效率和利用效率。 2 通过m a t l a b 软件对单个压电片粘贴在悬臂梁上的发电结构进行压电 耦合分析。采用简谐输入信号激励悬臂梁使之横向振动，通过几个不同的电 阻模拟恒稳态条件下的电压输出，得到在不同的频率下悬臂梁模型产生的电 压随时间变化的关系，为试验测试提供了依据。 3 制作了纤维悬臂梁压电发电结构并进行了进行试验测试。在随机振 动条件下，测得了悬臂梁式压电发电结构产生的电压及电荷量。通过此试验， 为后续能量收集硬件电路设计提供了依据。 4 利用电路模拟软件o r c a d 模拟压电等效电路，设计制作压电能量获 取硬件电路。压电材料能产生的交流电，需要对该电流进行整流和滤波。所 设计的电路包括：倍压整流电路，滤波电路，用来将振动中压电材料产生的 交流电整流后得一脉动直流电压；超级电容器，d c d c 升压电路和电源管 理电路，采用m a x l 6 7 8 和m a x l 8 1 1 设计，用以收集和存储压电材料产生的 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 电量。 本文设计的悬臂梁式压电发电结构，在其自由端施加一个持续的激励信 号，产生了连续的交流电，然后通过整流电路，由超级电容器缓冲产生的电 能，这是一个缓慢积累的过程，当超级电容器上电压达到1 4 v 的阈值时， d c 升压电路和电源管理电路被接通，为锂离子电池输送电能。 关键词：压电材料，压电效应，能量获取，悬臂梁，整流电路，d c d c 电路， 能量收集电路 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri su t n i z i n gm ep i e z o e l e c t r i ce 骶c to fp i e z o e l e 嘶c m a t e f i a lt od e s i 驴as y s t e m ，w h i c hc a nh a e s te n e 唱ya n dp r o v i d ee l e c t r o n i c e q u i p m e n tw i mt h i se n e 唱y p i c z o e l e c t r i cm a t e r i a li so n e o ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gm a t e r i a l s ，w h i c hc a nt r a n s f o mm e c h a n i c a ls t r a i ne n e r g yi n t oe l e c t r i c e n e 唱y 矩dc o n v e r te l e c t f i c a le n e r g yi m om e c h a i l i c a ls t r a i ne n e 玛y i h e d e v i c e w h i c hu s e sp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l st ot r 觚s f o 珊m e c h a i l i c a ls t r a i ne n e 唱yo f s u r r o u n d i n g si n t oe l e c t r i ce n e 唱y i sc a l l e dt h ep i e z o e l e c t r i cp o w e fh a e s t i n g s y s t e m 1 1 i et a r g e to ft h i sp a p e ri su t i l 讫i n gt h es t r a i no fm ep i e z o e l e c t r i cp a t c ht og e t ae l e c t r i cc l l r r e n t ，w h i c hw i ub et r a n s f o m e dt od i r e c tc i l r r e n tb yr e c t i f i c a t i o n c i r c u i t n l i sd i r e c tc u r r e n tw i l lb ec o n v e n e dt 0as ta _ b l ed i r e c tc u r r e n tb yv o l t a g e b o o s t e rc i r c u i t ，缸dt h e nap o w e rm 锄a g e m e mc h i pc o m r o l st h ep r o c e s so f c h a 玛i n gu pt h el i t h i u mb a t t e r y t h ep i e z o e l e c t r i cd e v i c ec a no l l l yg e n e r a t e a s e v e f a lm i c r o a m p e r e sc u r r e n t ，w h i c hc a n td i r e c td r i v et h ec i r c u i t0 fc h i p ，s ot h a t t h ec u r r e n tr e c t i f i e db yr e c t i f i c a t i o nc i r c u i tw i l lc h a 唱eu pt h eu l t r a c a p a c i t o ra sa f i r s ts t e p ，觚dt h e nt h i su l t r a c a p a c i t o fw i l lc h a r g cu pt h er e c h a r g e a b l eb a t t e r y b a s e do nt h eg o a la b o v e m e n t i o n e d ，m er e s e a r c hi sd i v i d e di n t 0f o l l o w i n gs e v e r a l p a n s ： 1 7 1 1 1 ep i e z o e i e c t r i cc e r a m i c sa r ep r i m a r ye l e m e n t si np i e z o e l e c t r i cp o w e r g e n e r a t i o nd e v i c e b a s e do np i e z o e l e c t r i cm e o 吗m e c h a n i c a l - e l e c t r o n i ce q u i v a l e n t m o d e l 锄dw o r kp a t t e mo ft h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l si nv i b r a t i o na r ea n a l y z e d ， m em a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n o f g e n e r a t i n g t h e p o w e r i s d e d u c c d ， t r a n s f e r e f f i c i e n c ya n du t i l i z a t i o ne 衔c i e n c yo ft h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a la r ed e t e 锄i n e d 2 b a s e do nm a t l a bs o f t w a r e ，c o m p l e t e di sp i e z o e l e c t r i cc o u p l ea n a l y s i so f ap o w e rg e n e r a t i o nd e v i c c - ac 觚t i l e v e rb e a mp a s t e dap i e z o e l e c t r i cp a t c h h a 咖o n i ci n p u ts i g n a li s 印p l i e dt ot h ec a n t i l e v e rb e a ma n dt h eb e a mw i uv i b r a t e t r 孤s v e r s e l y 0 u t p u to fs t e a d ys t a t ew i t hd i n e r e n tr e s i s t a i l c ei ss i m u l a t e da n dt h e r e l a t i o no fv o l t a g ea n dt i m ei so b t a i n e du n d e rd i 恤r e n tf r e q u e n c i e s t h e s er e s u l t s p f o v i d ef o u n d a t i o nf o r t h ee x p e r i m e n t a lt e s t 3 t b s to fac a n t i l e v e rb e a mp a s t c das i n g l ep z r 5 1p a t c hi sc o m p l e t e d q u a n t i t yo fe l e c t r i cc h a 唱ea n dv 0 1 t a g eo ft h ec a n t i l e v e rp o w e rg e n e r a t i o nd e v i c e a r em e 弱u r e du n d e r r a n d o mv i b r a t i o n t h i 8t e s ti st h eb a s i so fd e s i g n i n gh a r d w a r e c i r c u i tf o rc o l l e c t i n ge n e 赡y 4 c i 、r c u i ta n a l o g u es o f t w a r eo r c a di su s e dt os i m u l a t et h ev 0 1 t a g ee q u i v a l e n t c i r c u i ta n d d e s i g np i e z o e l e c t r i ce n e 飕y h a r v e s t i n gh a r d w a r ec i r c u i t t h e a l t e m a t i n gc u r r e n tg e n e r a t e df r o mp i e z o e l e c t r i ce l e m e n t si ss m a l la n du n s t a b l e s o t h a tt h i sc u r r e n tn e e d st ob er e c t i f i e da n df i l t e r e d t l l i ec i r c u i t sd e s i g n e di nt h i s p a p e ri n d u d e ：v o l t a g ed o u b l i n gr e c t i f y i n gc i r c l l i t ，u s e dt ot r 趾s f e r t h ea l t e m a t i n g c u r r e n tf i - 0 mp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a lt oap u l s a t i n gd i r e c t c u r r e n t ；f i l t e rc i r c u i t ， r e 嘶f i e rc i r c u i t ，u s e dt 0c o n v e r tm ep u l s a t i n gd i r e c tc u r r e n tt o as t a b l e d i r e c t c u r f e n t ；d c - d cv o l t a g eb o o s e fc i r c u i ta n de n e 曙yc o l l e c t i n gd r c u i t ，w h i c ha r e d e s i g n e d 谢t hm a x l 6 7 8a n dm a x l 8 1 1 ，u s e dt 0c o l l e c ta n ds t o r a g et h ee n e r g yf r o m p i e z o e l e c t f i cm a t e r i 甜 p i e z o e l e c t r i cc 卸t i l e v e fb e a m g e n e r a t o ri sd e s i g n e di nt l l i s p a p e r a c o n t i n u o u sa c t i l a t i n gs i g n a li sa p p l i e d0 nt h ef r e ee n do ft h eb e a m ，a n dc o n t i n u o u s a l t e m a t i n gc u f r e n ti sc a u s e d t h ec i l r r c n tw i l lb er e c t i f i e db vt h er e c t i 丘c a t i o n c i r c u i t ，a n ds u p e r c a p a c i t o rc 狮b u 舐rt h i s e n e 唱y n i si s as 1 0 wc 啪u l a t i v e p r o c e s s w h e nt h ev o l t a g eo fs u p e r c a p a c i t o r r e a c h e st h et h r e s h o l dv o l t a g e1 4 v d cv o l t a g eb o o s t e rc i r c u i ta n db a t t e r ym a n a g e m e n tc i r c u i ta r et u m e do na n d e n e 唱yi st r a n s p o n e dt ot h el i t h i 岫i o nb a t t e r v 1 ( e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cm a t e f i a l s ，p i e z o e l e c t 如纸c t ，e n e f g yh a e s t i n g ， c a n t i l e v e r b e a m ， r e c t i f i e rc i r c u i t ，d c - d cc i r c u i t ， e n e r g y h a r v e s t i n gc i r c u i t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：王乡汤 。万年台月f 夕日j 指导教师签名：扔声牡 少，年多月，口日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王乡易 日期：9 矛年e 月f ，9 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 压电陶瓷是一种多晶材料，它具有制作简单，成本低，换能效率高等优 点，从而得到了迅速发展，其应用产品不断推陈出新，已渗透到国防建设、 国民经济的各个领域，广泛应用于电子、光、热、声学等领域，尤其在微电 子和光电子领域内有着广阔的应用前景，成为重要的功能材料。其应用范围 大致可以分为压电振子和电声换能器两个方面。前者如振荡器和滤波器振子， 主要采用输入电信号的方式。后者如传声器和超声换能器，主要用于机电能 量转换【l 圳。 近年来，随着科技的日益发展，人类的研究触角已经越来越趋向微小化 的结构，微机电系统( m i r c o e l e c t r om e c h a i l i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) ，微机 电元件的发展将会成为未来研究的主流，成为人类生活中所不可或缺的一大 项目【3 1 。m e m s 技术在生物医学、航空、航天、汽车、化工及消费电子产品等 方面多有应用，与之相关的微型能源技术也得到人们也来越多的重视，最近 国际上研究的热点是能量收集技术。 能量收集( e h ) ，某些时候是指能量清除，作为一种减少或消除对电池电 源需求的方法已经获得广泛的关注。一些通过利用来自人或者环境资源的能 量的创新方法已经可以使用。电池的局限性使得阴得到更广的采用，但是需 要更好地结合设计技术。利用若干领域知识的多学科方法是必需的，包括电 子、机械、材料和工艺。目前，微机电系统发电和变换器技术可以从振动、 热梯度和光线中提取能量构成此类自补充电源1 4 。5 j 。人们把从这些能源中提取 出的能量储存在可重复充电的软性薄膜电池中( 如薄膜锂离子电池) ，并通过 调节电路为负载( 如感应器等) 供电。由于所获得的能量展现出不规则的随机 性低能量突发模式，因此需要一种高能效的不连续的问歇型充电器来把 这些能量从源设备传送到电池。采用这种方式，我们可以把通常在环境中损 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 失或散失的能量回收为该系统供电，从而大幅延长该设备的寿命。 1 2 研究的背景和意义 在能源日渐缺乏的今天，电能是相当宝贵的，这种独特地自供电系统能 用在很多电子系统中，可取代电池或延长电池的使用寿命； 众所周知，电池具有有限的使用寿命，而且使用电池还需要更换； 此外，使用有线电能源需要铺线，工程繁杂，投资巨大，而且需要不间 断的维修。 为克服旧有系统的不足，充分利用新能源，寻找一种节能而不受地域限 制的能源就成了当务之急。 通常可用来发电的能源包括风力、火力、太阳能、核能和蒸汽能。随着 对能量使用效率和保存的不断需求，人们花了很大精力来开发那些没有用过 的新能量源。 压电材料，作为一种理想的机电能量转换材料，具有很高的能量密度， 其峰值能量密度可达1 0 0 1 0 0 0 0 k w k g ，因此，利用压电装置产生相当功率 的电能是可能。 当然，电池作为一种电能源，可以使系统免除电源线的麻烦，但由于成 本的原因限制了系统的工作寿命。在两年使用期以后，振动能量采集器便能 优于电池( 图1 ) 【6 1 。如果你的设备寿命在1 0 年以上，则振动能源就要好于 任何电池技术。在系统整个生命周期的拥有成本中，劳动力成本也会增添一 种起抑制使用作用的额外费用，因此最好能免除更换电池的工作。 2 江苏大学硕士学位论文 冀愉( 睾 图1 1比较从振动争各种化学电池中获得能量 f i 9 1 1c o m p 盯i s o no f p o w e rf b mv i b r a t i o n s 柚dv 盯i o u sb a t c e r yc h e m i s 仃i e s 1 3 国内外能量获取研究现状及进展 压电材料在外力的作用下可以产生电荷这一现象被发现几十年了，但受 压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电 器的电源的研究一直很少。近年来，高集成化、低功耗电子元件和无线电射 频技术( r f ，r a d i o f r e q u e n c y ) 的使用，为压电能量收集技术的应用提供了 前提；另一方面，随着材料科学和制造技术的发展，高性能、高机电转换效 率的压电材料不断出现，压电薄膜的厚度可减小到0 0 2 m m ，利用多片压电薄 膜并、串联的方法可获得所需要的电流、电压。1 9 9 6 年，荷兰的皿a ds t a m e f 等【7 l 利用压电陶瓷收集“开合”笔记本电脑的运动能量，用以驱动笔记本电 脑，开创了压电发电与能量收集技术这一研究领域。 压电能量收集技术是一个新的研究领域，它涉及机械、材料、电子等诸 多学科，尚有大量的理论和试验研究需要解决。目前，有关这方面的研究在 美国、法国、荷兰等国家相继开始。在这一研究领域，国外已有很多著名大 学学者和公司在这方面展开了研究。 2 0 世纪6 0 年代末，中国科学院上海硅酸盐所和上海精密医疗器材厂合作 研究压电手提式x 光机电源，成功地获得u m a x = 6 0 l 【v ，i m a x = 3 l l 迭的直流电压。 这表明利用压电材料的正压电效应制作电源是可行的，这种电源特别适用于 3 嘲 瑚 地， ， ，纛瓦 能鼙 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 各种移动设备。 1 9 8 5 年，c h a f l e sg 似p e l t t 申请的美国专利u s n o 4 5 0 4 7 6 1 ，题目是“安 装在车辆上的压电发生器”，采集汽车运行时轮胎部分的能量为轮毂上的无 线传感器供电。 2 0 0 2 年，南京航空航天大学孙亚飞，陈仁文等人通过在压电驱动器收缩 时储存于其电场和应变场中的能量，借助瞬时电容器所构成的系统实现电荷 的回收与利用【引。 2 0 0 3 年，国外科学家已经注意到收集振动能量作为可行的能源，在传感 器和无线电方面应用广阔。机械振动能转化为电能所采用的方法一般有三种： 电磁式，静电式和压电式。压电式是其中最受欢迎的。s t r a m e r ( 1 9 9 6 ) 是第一 个意识到吸收振动能量可能性的研究人员，并且苦思冥想可能的贮存方法。 u cb e r k e l e y 的r o u n d y 和w r i 曲t ( 2 0 0 4 ) 采用一种等效力学一电学模型来分析悬 臂类型的压电采集器。实验结果显示从1 2 0 h z ，2 5 所知z 的振动源，通过一个 3 0 0 忌q 电阻最大输出功率可以达到3 7 5 掰州册3 。而且原型已经从这个相同的 振动源用来为一个1 9 g h z 无线传输提供动力。研究显示三角形梁最大输出功 率密度达到7 9 0 所叫绷3 ，梁上存在4 3 5 七q 阻抗，输入基础振动7 9 0 酬c 珑3 【9 】。 目前，c o n t i n u 啪c o n t r o l 、e i n b e r 、e n o c e a na p p l i c - a t i o n s 、f e r f os o l u t i o n s 、 m i l l e n n i a ln e t 、m i c f o s t r a i n 和m i c f o t f e n ds v s t e l n s 等小厂商在这个初生领域 中走在前列，飞思卡尔、罗克韦尔( r o c k w e l l ) 和德州仪器等大公司也参与其中。 如果它们的研究取得成功，将能实现对重型机械、轮胎压力和车内温度的监 测等应用，以及检测轮船和飞机中的潜在问题。 f e r r os o l u t i o n s 和c o n t i n u u mc o n t r o lc o m 公司的开发工作可能是未来能 量捕获器的先驱。前者的能量捕获器( f e r r os o l u o p t i o n se n e 唱yh a r v e s t e r s ， f s e h ) 是一个独立的电源，利用振动产生电能，并用它来为无线收发器、传 感器、微型马达和驱动器供电。该公司表示，f s e h 可以利用微弱振动来提供 连续的、几乎无尽的电能，足以用来驱动传感器、r f 发射器和其它电子器件。 当暂时不需要电能时，可以把这些电能储存在一个超级电容器之中备用( 图 1 2 ) 。该公司对f s e h 的研究得到了美国海军的资助，后者希望给军舰和潜艇 4 江苏大学硕士学位论文 的新型无线监测系统供电，要求f s e h 成本低、易于安装和易于维护。 全球领先的无限电源技术e n o c e a i l 公司生产的网络结点可以从几种能量 采集器获得能源，包括光开关致动器、直线运动变换器、机械振动、热梯度， 以及阳光。e n o c e 柚公司的e c 0 1 0 0 能量采集器能够从机械振动，运动，冲击 中吸收能量并储存，进而被无线传感器网络和其他电子装置使用。这种工艺 将转换器和电路联合到一个机械系统中去，建立一种将机械能最大限度转化 为电能的方案，特别是将微小的振动转化为可能的能量。 图1 2f s e h 采用的超级电容器 f i 9 1 2 f s e h ss u p e r c a p a c i t o r 2 0 0 5 年，m i l l e n n i a ln e t 公司已经将其i b e a n 无线技术与f e r r os o l u t i o n s 公司的能量捕获技术结合在一起，形成一个感应振荡能量转换器，它能从2 8 3 0 h z 、5 0 1 0 0 m g s 的振动中产生1 2 3 6 m v 的电压。这种i b e a n s 方案包 括小型、超低功率、自供电无线器件，使传感器和其它监控设备能够通过低 数据率网络连接起来。 而c o n t i n u u mc o n t r o lc o 巾公司的i p o w e r 能量捕获装置则能把运动产生的 机械能转换成电能，用来驱动单机器件。通过智能、高效的电路，捕获压电 材料形状变化所产生的能量，i p o w e r 系统由两项自有技术组成，该公司称之 为p i e z o f l e x 复合材料和自供能电子技术。 p i e z o f l e x 复合材料可用于多种应用之中，包括使高尔夫或网球用具感应 球手的挥拍动作并作出反应的系统；感应并控制车内噪音的汽车仪表板；用 在直升机叶片上使之适应不同的飞行状态，获得最大的燃油效率、速度和爬 5 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 升率等等。当压电材料发生运动或振动的时候，采用自供能电子技术提取、 存储和使用压电材料提供的电能。 m i d e 技术公司生产的双压电晶片元件q p 4 5 w ，开启了能量收集应用的大 门。它能够重复利用诸如运动、振动、压力( 张力) 等机械力产生的废弃能量。 采用简单的、低成本的模拟电路，压力能量可被转换、存储并调节，从而直接 替代电池。一个典型的a f c 可以容易地从振动产生4 0 v p - p 的电压。一个典型 的( a f ( 、b ) 能够产生4 0 0 v p - p 的电压，可以通过串联或并联两个或者多个压电 元件来调节电源输出。它能被塑造成用户需要的任何形状，而且都具有弹性和 运动敏感性。这种元件通常安装在那些具有大量机械运动或无用能量的地方。 2 0 0 6 年，m i c r o s t r a i n 公司则利用一个基于电容器电荷存储的电源管理方 案，在压电材料上获取张力。无线电路在电荷积累到能够驱动它的水平以前 保持断开状态。电源管理电路探测压电条上的电压，并断开晶体管使电容器 积累电荷。当检测到电容器上的电压达到9 5 v 的阈值时，无线传感器节点被 接通并发送数据。同时，m i c r o s t r a i l l 的研究人员介绍了在开发极低功率智能 无线传感节点方面所做的工作。他们设计的系统与利用压电材料或太阳能电 池或同时使用两者的能量捕获技术兼容1 1 。 2 0 0 7 年2 月，a d v a n c e dl i n e a rd e v i c e s 宣布了第一款用于工业上的特别设 计的能量获取模块蛆d se h 3 0 0 ( 图1 3 ) ，它可以从多种能量源捕获、积累 和储存能量，为无线传感器网络、远程控制和其它方面应用提供电能。该模 块具有高效的能量储存效率，使能量获取变得可靠和提供长久的电能，并且 由于解除了电池或者交流电源的限制，得到很多应用【l 。 图1 3a l n 公司的能量收集模块a l d se h 3 0 0 一 f i g1 3a l d se h 3 0 0e n e r g yh 硼e s t i n gm o d u l e 6 江苏大学硕士学位论文 现在国内压电材料多用于变压器，换能器，滤波器，超声振子，拾音器， 话筒等，而用压电材料做发电和能量收集在国内还很少见。 1 4 本文研究主要内容 本文所作的研究是江苏省高技术项目基于高性能压电纤维驱动器传感 器技术( 编号为：b g 2 0 0 6 0 2 6 ) 的资助下所进行的。论文研究的基本目的是 利用压电材料正压电效应，设计为电子设备供能的压电能量收集技术。通过 压电发电装置吸收电子设备外部环境中的振动能量或吸收其它机械能量，为 电子设备的正常工作提供电能。本文采用理论研究与试验相结合的方式展开 研究。压电发电理论研究方面，将利用压电理论、振动分析、电学等专业知 识，分析、讨论了压电发电的能量转换、储存机理，以对压电材料发电能力 进行预测。利用m a a b 等软件对单个压电片粘贴在悬臂梁上的发电能力进行 模拟、仿真，分析了正弦输入信号激励频率对发电能力的影响规律。在试验 方面，以理论分析作为指导方向，通过对单片p z t 5 1 压电陶瓷粘贴在悬臂梁 上进行实际测试，采集试验数据并进行分析。通过对试验数据与理论分析结 果的比较分析，研究压电发电的能量收集硬件电路，压电元件产生交流电压， 但不稳定，需要对产生的电压进行整流和滤波，但是产生的电流只有几个微 安，无法驱动芯片。从电路设计方面考虑：包括倍压整流电路，用来将压电 材料振动产生的交流电整流后得一脉动直流电压，将此电压经由滤波电路输 出一稳定直流电压；然后电流对超级电容器充电，这部分起缓冲电能的作用， 驱动d c 升压电路和电源管理电路工作；最后采用m a x l 6 7 8 和m a x l 8 1 1 设计 d c d c 升压电路和能量收集电路，用以收集和存储压电材料产生的电量。 本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 压电陶瓷是压电发电装置中的基础部件，是将机械能转换为电能的换 能元件。因此，了解压电陶瓷材料的各项性能参数与正压电效应的关系，对 压电发电结构的设计和能量收集硬件电路设计具有理论性的指导意义。 ( 2 ) 研究了压电材料等效力学一电学模型，分析了压电材料的两种振动模 7 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 式一横向振动模式和长度振动模式，并推导出产生能量的力电本构关系表达 式，分析了压电材料产生能量转换效率和利用效率。 ( 3 ) 通过m a t l a b 软件对单个压电片粘贴在悬臂梁上的发电结构进行压电 耦合分析。采用简谐输入信号激励悬臂梁模型进行横向振动，通过几个不同 的电阻模拟恒稳态条件下的电压输出，悬臂梁模型产生的电压是在不同的频 率下随时间变化的关系，清晰地了解了悬臂梁发电结构的激励频率和电压之 间的关系，为试验测试提供了依据。 ( 4 ) 制作了纤维悬臂梁压电发电结构并进行了进行试验测试，在随机振动 条件下，得出悬臂梁式压电发电结构产生的电压及电荷量，通过此试验，为 后续能量收集硬件电路设计提供了依据。 ( 5 ) 利用电路模拟软件o r c a d 来模拟压电等效电路，设计制作压电能量获 取硬件电路。设计制作压电能量收集硬件电路。硬件模块电路包括：整流电 路，滤波电路，超级电容器，d c d c 升压电路，电源管理电路，最后将电能 收集到锂离子锂电池中。 本文设计的悬臂梁式压电发电结构，在其自由端施加一个持续的激励信 号，产生了连续的交流电，然后通过整流电路，由超级电容器缓冲产生的电 能，这是一个缓慢积累的过程，当超级电容器上电压达到1 4 v 的阈值时，d c 升压电路和电源管理电路被接通，为锂离子电池输送电能。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章压电材料基本理论 本章将介绍压电材料的相关知识，例如压电效应、压电材料方程组、压 电材料的重要参数等；最后，压电材料作为压电能量收集中的机械一电能换 能元件，是压电产生电能的核心元件。 2 1 压电效应及其表达式 1 8 8 0 年首先由居里兄弟发现晶体的压电效应( p i e z o e l e c t r i ce 骶c t ) ，如图 图2 1 压电材料的正、逆压电效应 f i g 2 1t h ep i e z o e l e c 订i ce 仃e c t 锄di n v e r s ep i e z o e l e c 仃i c e f f e c to fp i e e l e c t f i cm 种e r i a l 2 1 1 正压电效应( 力一电产生效应) 2 1 所示。“p i c z o ”来自希腊 语“p i e z e i n 刀，为“压的意 思。压电性( p i e z o e l e c t r i t r i c i t y ) 为一种机电能量互换的现 象，其作用包括正压电效应 及逆压电效应两种。以下分 别说明上述两种压电效应： 对压电元件施加应力，会引起内部的正负电荷中心发生相对位移而产生 电极化，从而导致元件的两个表面出现符号相反的等量束缚电荷，当外力移 除后，又回复电中性的状态。其中，电荷的大小与外力成正比，这种现象称 为正压电效应。其表达式为 d 成= 锄乃，玩= 啊&( 2 1 ) 式中，d m 表示为电位移，d 。，为压电应变常数，；为压电应力常数，为 9 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 应力分量，s 为应变分量。( 胞= 1 ，2 3 ；f ，= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 。其中1 ，2 ，3 分别 对应z ，) ，z 三个方向 2 1 2 逆压电效应 若将压电元件置于外电场中，同样会引起内部正负电荷中心产生相对位 移，导致压电元件的变形。位移的大小与材料的压电常数有关，当电场强度 远小于压电材料的极化电场时，位移与施加的电场强度成正比。 逆压电效应的表达式为 韪= 如毋，噩= 岛i 五( 2 2 ) 式中母为应变，乃为应力，磊i ，f 为压电常数，马为外加电场。( 1 = 1 ，2 ， 3 ；靠= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ， 6 ) 。 压电材料的正压电效应反应了压电材料具有将机械能转换成电能的能 力。检测出压电材料上的电荷变化，就得到材料的变形量。反之，负压电效 应说明了压电材料具有将电能转换为机械能的能力，给压电元件施加相应的 电压，就得到所需的机械变形或应力。因此，利用压电材料的机械能与电能 转换的装置或元件时，需要利用其压电效应。其正逆压电效应示意图如图2 2 所示。 图2 2 正逆压电效应示意图 f i g 2 2s c h e m a t i co fp i e z o e l e c 廿i ce f r e c ta n di n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f r e c t 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 压电材料简介 一般压电材料可分为天然与人工合成两种，天然的压电材料多为晶体， 晶体的压电性取决于其结构的对称性，只有大多数的具有不对称性结构的晶 体具有压电性，天然的压电晶体以石英为主。人工合成的压电材料则分为压 电陶瓷( 如p z t 、p u 强等) 与压电聚合物( p v f 、p v f 2 、v 】珊3 与n v l o n l l 等) 。表2 1 为各种种类的压电材料，各种材料都有其优缺点，例如电气石、 罗雪盐会分解；高分子聚合物( p v d f ) 压电参数小，需很高的极化电场；而陶 瓷类的压电材料由于其压电活性良好，耐酸性，温度系数大，耦合因数高， 可制成任何形状，所以压电陶瓷的发展与应用日益广泛【1 2 1 。 表2 。l 压电材料种类 r 出1 e 2 1c l a s s i f i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s 种类典型材料 单晶类石英、电气石、罗雪盐、钽酸盐、铌酸盐 薄膜类氧化锌 聚合物 p v d f 陶瓷类钛酸钡、锆钛酸铅 复合材料p v d f p z t 2 3 压电材料的压电方程组 反映压电材料压电效应的本构方程即为压电方程【1 2 1 3 ，1 ，1 4 1 ，压电性一般与 力学量和电学量有关。因此，压电方程是描述压电材料的力学量( 应力、应 变) 和电学量( 电场强度、电位移) 之间相互联系的关系式。由于压电元件 应用状态或者测试条件的不同，它们可以处于不同的电学边界条件和机械边 界条件下。 为了适应不同的边界条件，下面给出不同自变量的压电方程表达式。 1 1 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 1 对于第一类边界条件：机械自由和电学短路情况，以应力和电场强度 为独立变量表示的一组压电方程为 s = 乃+ 丸e ( 2 3 a ) 见= 如乃+ 矗晟( 2 3 b ) 其简易矩阵形式为 p = 【c 丘】口) + 矽r 但)( 2 4 a ) d ) = d ) z 卜【一】但) ( 2 4 b ) 其中 仃) = 隔五正五五瓦】r 为应力分量； p ) = 【ss ：ss 。墨瓯】r 为应变分量； 仁) = 暇岛乜r 为电场强度； d = 【d ld 2d 3 r 为电位移； 【s f 】r 叙6 为在电场强度为常数情况下的弹性柔顺常数矩阵( m 2 n ) ； 【d 】r 3 赠为压电应变常数矩阵( f m 2 ) ； 【，】r 3 砖为应力为零( 或常数) 时的介电常数矩阵( f m ) 。 式( 2 3 a ) 、( 2 4 a ) 和( 2 3 b ) 、( 2 4 b ) 分别表示逆压电效应和正压电效应。 2 对于第二类边界条件：机械夹持和电学短路情况，以应变和电场强度 为独立变量表示的一组压电方程为 乃= s r 一毛( 2 5 a ) 玩= ，鼍+ 靠瓦( 2 5 b ) 其简易矩阵形式为 口) = 【c 】p 卜m r 怛)( 2 6 a ) d ) = m p + 【f 6 】怛( 2 6 b ) 其中 f 】又缸6 为在电场强度为常数情况下的弹性刚度常数矩阵( 州i l l 2 ) ； m r 3 妯为压电应力常数矩阵( c m 2 ) ； 【，1 r 3 妇为应变为零( 或常数) 时的介电常数矩阵( f 肺) 。 式( 2 5 a ) 、( 2 6 a ) 和( 2 5 矽) 、( 2 6 b ) 分别表示逆压电效应和正压电效应。 江苏大学硕士学位论文 3 对于第三类边界条件：机械自由和电学开路情况，以应力和电位移为 独立变量表示的一组压电方程为 s i = s ；t j + g m i d mq - 荀 e = 一g 彬i + g 二p 聊( 2 7 b ) 其简易矩阵形式为 p = 【c d 】口) + 【g 】2 d ) ( 2 8 a ) 但) = g ) s + 【1 】d ( 2 8 b ) 其中 【c d 】r 叙6 为电位移为零( 或常数) 时的弹性柔顺常数矩阵( m 2 n ) ； 【g 】r 3 加为压电电压常数矩阵( m 2 c ) ； 【】尺3 砖为应力为零( 或常数) 时介电隔离率，称为自由介质隔离率。 式( 2 7 a ) 、( 2 8 a ) 和( 2 7 b ) 、( 2 8 b ) 分别表示逆压电效应和正压电效应。 4 对于第四类边界条件：机械夹持和电学开路情况，以应变和电位移为 独立变量表示的一组压电方程为 乃= 墨一玩( 2 9 a ) e = 吨。互+ 威见( 2 9 b ) 其简易矩阵形式为 f = 【s 口】p 卜降】2p ( 2 1 0 a ) 但= 珊口 + 【】p ( 2 1 0 b ) 式( 2 9 a ) 、( 2 1 0 a ) 和( 2 9 b ) 、( 2 1 0 b ) 分别表示逆压电效应和正压电效应。 坼】尺6 蛹为压电劲度常数矩阵( ，m 或n i c ) 。 2 4 压电材料的性能参数 表征压电效应的主要物理参数除了前述压电常数、弹性常数和介电常数 外，还有表征压电元件性能的参数如机电耦合系数、机械品质因数、介质损 耗、频率常数及居里温度等【h l 。 ( 1 ) 机电耦合系数 当施以机械能于压电陶瓷时，因压电陶瓷的正压电效应作用可使机械能 基于压电材料的振动能量采集技术的研究 转换为电能。而施加电