（物理学专业论文）压电俘能器遥控电子锁的设计.pdf

摘要 长久以来，为无线装置供电的来源为传统电池，但是传统电池体积大，如果 回收不当还会造成严重的环境污染。随着电子产品集成化和无线电技术的发展， 人们开始寻找新型的供能装置，微功率电子产品的各种微型发电装置的研究已经 成为了热点。例如车载遥控电子锁，传统的供电装置是纽扣电池。本文研究了压 电陶瓷的能量转换和电能存储特性，设计制作了不同形式的压电发电装置，在此 基础上设计了压电自供电型遥控电子锁，即压电俘能器遥控电子锁。并对该系统 进行了试验测试。主要的研究内容如下： 1 通过对压电材料及压电振子的特性分析，根据正压电效应理论，选择适合 于压电发电装置的压电陶瓷材料。研究不同压电材料的压电性能，学习压电振子 的制作技术，研究发电装置集成化、小型化的设计方法。 2 设计制作不同类型的发电装置。设计悬臂梁式单晶压电振子，悬臂梁式双 晶串联压电振子，悬臂梁式双晶并联压电振子，四个压电振子混合串并联等发电 装置。优化压电振子结构参数，以提高能量转换效率。 3 设计压电发电装置直接与外部负载相连，以及经整流滤波后再与负载相连 的两种实体模型，建立压电发电装置输出功率的实体模型，并对两种实体模型进 行分析比较。 4 分别就手动产生的附加质量块的自由振动和强制振动两种激励条件进行 试验，以钽电容和镍氢可充电电池为存储介质进行了压电发电能量的存储特性研 究，并比较各种存储方式的优缺点以及使用场合。 5 设计出遥控电子锁的无线发射电路。 6 确定了适合于汽车遥控电子锁的压电发电装置，并与无线发射装置连接在 一起进行实体试验。 关键词：压电陶瓷、正压电效应、压电振子、悬臂梁、压电发电装置 a bs t r a c t f o ral o n gt i m e ，s o u r c ef o rp o w e rw i r e l e s sd e v i c e si sc o n v e n t i o n a lb a t t e r i e s 。b u t c o n v e n t i o n a lb a t t e r i e sa leb i g g e rv o l u m e ，i ft h er e c l a i mo fc o n v e n t i o n a lb a t t e r i e si s i m p r o p e r ，g r a v ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o nw i l lo c c u r 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ei n t e g r a t i o no fe l e c t r o n i cp r o d u c t s ，p e o p l es t a r t f i n dan e ws e l f - s u p p l y i n gp o w e rs e t ，t h er e s e a r c ho na 1 1k i n d so fm i n i s i z eg e n e r a t i n g e l e c t r i c i t yd e v i c eu s e df o rt h em i c r o - e l e c t r o n i cp r o d u c t sh a sa l r e a d yb e c o m ea l ln e w h o ts p o t 。f o re x a m p l e ，r e m o t ec o n t r o le l e c t r i c - l o c ko nc a r ，t h ec o n v e n t i o n a ls o u r c ef o r i ti sb u t t o n - b a t t e r y 。i ti saf o c u sr e s e a r c ho np i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sa b o u tp o w e r c h a n g i n ga n dh a r v e s t i n g ，d e s i g na n dm a n u f a c t u r ek i n d so fp i e z o e l e c t r i ce n e r g y h a r v e s t e r s ，o nt h eb a s i co fw h i c hid e s i g nt h es e l f - s u p p l y i n gp o w e rs e te l e c t r i c - l o c ko n c a r ，a n dt e s tt h ew h o l es y s t e m 。t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a la n dp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so fo s c i l l a t o r ， a c c o r d i n gt ot h e o r yo f t h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，s e l e c tt h ef i tp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sf o r p i e z o e l e c t r i cs e l f - s u p p l y i n gp o w e rs e t 。r e s e a r c hp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s 。s t u d yt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y o f p i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r ， s t u d yh o w t od e s i g nm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o no fs e l f - s u p p l y i n gp o w e rs e t 。 2 d e s i g na n dm a n u f a c t u r ek i n d so fp i e z o e l e c t r i ce n e r g yh a r v e s t e r s 。f o r e x a m p l e ，o n ep i e c eo fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a lo nc a n t i l e v e rp l a t e ，d o u b l ep i e c e so f p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l so nc a n t i l e v e rp l a t ea r es e r i e sc o n n e c t i o n ，d o u b l ep i e c e so f p i e z o e l e c t r i cm a t 商a l so nc a n t i l e v e rp l a t ea r ep a r a l l e lc o n n e c t i o n ，f o u rc a n t i l e v e rp l a t e p a r a l l e lc o n n e c t i o ne t c 。o p t i i i l u ms t r u c t u r ep a r a m e t e r so fp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rs o t h a ti m p r o v ee n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y 。 3 d e s i g nt w op h y s i c a lm o d e l s ：t h ed i r e c tc o n n e c t i o no fp i e z o e l e c t r i cg e n e r a t o r a n de x t e r n a ll o a d ， a l t e r n a t i n gc u r r e n tg e n e r a t e db yp i e z o e l e c t r i cg e n e r a t o rt h o u g h b r i d g er e c t i f i e ra n df i l t e rc a p a c i t o r ，w h i l ec o n n e c t e dw i t he x t e r n a ll o a d 。a tl a s t ， c o m p a r et h et w op h y s i c sm o d e l s 。 4 c o m p a r et h et w om o f i v a t i o n a lp a t t e r n s ：f r e ev i b r a t i o nw i t ha d d i t i o n a lm a s sa n d f o r c e dv i b r a t i o nw i t h o u ta d d i t i o n a lm a s s ，t h i st w ov i b r a t i o n sa l ef i n i s h e db yh a n d 。 d e s i g nt w oe n e r g ys t o r a g em e t h o d s ：t a n t a l u mc a p a c i t o ra n dn i - m hr e c h a r g e a b l e b a n e r y ，s t u d yt h et w oc a p a c i t yo ft h es t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p a r et h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w os t o r a g em e t h o d sa n dt h eu s eo fo c c a s i o n s 。 5 d e s i g nw i r e l e s st r a n s m i t t e ro fr e m o t ec o n t r 0 1e l e c t r o n i cl o c k 。 6 d e t e r m i n ep i e z o e l e c t r i cg e n e r a t o ro fr e m o t ec o n t r o le l e c t r o n i cl o c ka n d e x p e r i m e n tw i t hw i r e l e s st r a n s m i t t e r 。 k e y w o r d s ：p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ，p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，p i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r ， c a n t i l e v e r ，p i e z o e l e c t r i cg e n e r a t i n gs e t i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 期：至皇丛堇 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：西明勒 导师( 签名)日期2 0 l o 乡 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 前言 第一章绪论 为微电子供能的方式有两种：有源供能和无源供能。有源供电的方式就是利 用电池为微电子系统供电，现在大部分场合用的就是有源供电。但是，电池的危 害人人皆知，而且在某些易燃易爆或者更换不易的场合，利用电池就有了阻碍。 现在，国际上的一个热点为题就是寻找一种可以代替电池的自供能的新能源【l 】。 如今人们已经在寻找可以代替电池的能源，目的就在于可以不用电池为微电子产 品供电或者可以给储能电池充电。 在自供能技术飞速发展的今天，有很多种可以自供能的方式，但是存在的最 主要的问题就是当前的自供能技术所能提供的电能太少，无法满足某些场合或者 领域的要求。所以如何提高这些自供能装置的机械能到电能的转换效率成为一个 难题。 自供能也成为能量采集，就是将环境中其他形式的能量转化为电能，为电子 系统供电。能从环境中俘获能量的装置称为俘能器。常见的俘能器有静科2 1 ，电 磁【3 1 ，压叫4 】等发电装置。与其他发电装置相比，压电发电装置有很多优点：没 有电磁干扰、不发热、结构简单、易于加工制作和可以实现结构上的的微小化、 集成化等【5 】，非常适用于各类传感器、监测系统和其它低功耗电子设备。 压电发电的优点决定了它受到科学家和研究人员的青睐，所以已经成为目前 新型发电方式中的一个研究热点。因此，作为研究压电发电的基础压电陶瓷材料， 也得到了更多的关注，现在各种新型的性能优良的压电材料不断的被研究制作出 来。 压电材料在外力的作用下可以产生电能，所产生的电能可以直接用来制作电 子打火机，点火器等。当压电材料所产生的能量很大时，可以直接用来为电子器 件提供电源或者构造微型发电机。 本文首先熟悉、掌握了各种压电陶瓷材料的性能和用途，选取适合为遥控电 子锁供能的压电陶瓷材料，设计出相应的尺寸，自己制作了一款压电俘能器自供 能的压电发电装置，用其为无线发射装置提供电能。验证压电发电装置作为动力 源为电子设备供电的可能性。 1 2 压电发电装置的国外研究现状 武汉理工大学硕士学位论文 1 21 压电发电装置的国外研究现状及应用 1 压电发电鞋【6 人在行走时，踩下去的瞬问一个加速度会产生，人在走路的时候是要做功的， 这部分能量完全损耗掉了，走路时候的能量可以收集起来进行发电。美国麻省理 工大学教授k y m i s s i s 利用两种压电材料将这部分损耗的能量收集起来，第一种 材料是用常见的p z t 来收集这部分损失的能量，第二种材料是用一种压电复台 材料p v d f 来收集这部分损失的能量，如图1 - l a 所示。实验结果表明，p z t 的 机电转换能力要比p v d f 强，所以p z t 材料更适合用来制作压电发电装置。日 本电信公司已经发明出的发电鞋，可以让人们一边走路一边为i p o d 充电，如图 1 1 b 所示。现状国内也研究出了压电发电鞋。这种鞋子可以应用在野外电池不 能随身携带太多的情形下，可以解决夜晚行军照明技术中。 二。囊，! ， 饕_ 一兰2 - _ i ： 囝1 1 a 压电发电鞋图t - 1 b 压电发电鞋为i p o d 充电 2 压电地板 9 h ”】 日本的j r 东日本公司开始在东京车站小规模试验压电地板，通过吸收乘客 走动时产生的动能来发电。这项计划自2 0 0 7 年开始实验而经过一年的研究改 良后，2 0 0 8 年1 2 月开始展开第二次测试计划。根据瓜东日本公司的说法，修 正后的设备发电能力预估将会比先前的设备多出十倍之多，预计每天将能够回收 1 , 4 0 0 k w s e c 的电力。将来若能大规模设置，将会进一步用来供应验票匣门及显 示器所需的电力。为提高发电效率，第三次试验中将使用边长为2 5 毫米的正方 形t 压电单元”。“压电单元”上方还将铺设4 0 厘米见方的石板以求均衡受力，从 而提高耐用性。如果此次试验所产生的电量达到上次试验的1 0 倍即算成功。但 若想维持自动检票机的工作，则还需约2 , 5 倍的电量。 武汉理工大学硕士学位论文 琵l o 压电发电地板 3 压电概念手机 i i 压电手机是美国德克萨斯州a & m 大学教授t a h i r c a g o n 的一项最新发明，刊 登在美国物理学协会出版的物理评论杂志上，此发明可以让手机用户在说话 时产生的声波转变成能量，提供手机使用，从而使手机常用而不断电。这一研究 将在许许多多的低功耗电器中产生深远的影响，比如手机、笔记本电脑、对讲机 以及其他各种与电脑相关的配件，而这些电器是每个人都离不开的。t a h i r c a g i n 致力于研究纳米技术，通过利用所谓的压电体材料，他开发出来了一种自我供电 的装置，从而不需要电池之类的可替换电源。特别的是，t a h i r c a g i n 和休斯顿大 学的伙伴已经发现某种压电体材料在不到2 l 纳米厚的微型大小下能百分之百地 转换能量。而且，当此材料比这一特定大小更大或更小时，它们的能量转换率会 大大下降。 4 压电打火机 压电打火机是机电换能器，是一种可以将机械能转换为电火花而点燃燃烧物 的装置。如图1 _ 4 所示，这种点火器在日常生活、工业生产以及军事方面得到广 泛应用，用以火箭的引燃引爆，各类炸药和点燃气体。它的基本工作原理为：打 火机内有压电陶瓷晶体，当我们按打火机的“扳机”，利用杠杆原理，晶体就会 受压而发出电流。这个电流足够令两个相隔根近的电极在空气中放电，产生一个 小火花来达到点火的效果。机电转换的过程中，压电陶瓷本身不会产生损耗，也 几乎没有磨损，所咀可以长久使用下去。它的特点就是寿命长，方便和安全可靠。 孽 武汉理工大学硕士学位论文 哆粉r 溪 l 豳1 - 5 压电发光孱 6 微型压电风车【1 q 无线网络节点供能受到更换电池的不便，为解决无线网络电子“节点”的供电 问题，德克萨斯州大学的电子工程师s h a s h a n k 蹦y a 发明了这种特殊的微型压电 风车，这种袖珍风车附在一个旋转凸轮上，当凸轮旋转时可使附着在上面的压电 陶瓷不断伸缩，压电陶瓷材料产生形变时( 当被挤压或者伸展) 就会产生电能。 s h a s h a n kp r i 社通过试验发现时速为1 6 公里的微风便就可以产生足以保证一个电 子传感器的运转的持续电能。2 0 0 5 年上半年他公布了他的袖珍风车的研究成果。 2 0 0 5 年1 1 月他又公开了这种设备性能的一些精确细节。对完整的无线传感器网 络的首次实验是利用光电电池提供能量的，但这些电池不能一直处于工作状态 因为每逢多云天气电池便会停止供电，导致节点无法供电而产生网络中断。如图 l - 6 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图t - 6 微型压电风下 7 纳米发电机 纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。图1 _ 6 a 所示为 在氧化铝村底上生长的氧化锌纳米线的扫插电子显微镜图像。图卜6 b 所示 为在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。 围1 - 6 c 所示为当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三 维电压，电流信号图。从科学杂志中了解到，王中林教授( 任美国佐治亚理工学 院教授、中国国家纳米科学中心海外主任) 等成功地在纳米尺度范围内将机械能 转换成电能，研制出了世界上最小的发电机纳米发电机 i “。纳米线具有半导 体性能和压电效应，弯曲时内外表面可以产生极化电荷。他们利用氧化锌纳米线 这种的特有的性质，研制出了可以将机械能转化为电能的纳米发电机。 t _ 图1 7 纳米发电机 武汉理：t = 大学硕十学位论文 1 2 2 压电发电装置的国内研究现状 目前国内的压电发电研究基本只停留在理论研究方面和实验室阶段，实际应 用比较少。影响国内压电力电转换的因素主要是材料方面，压电材料俘获能量的 能力有大有小，所以在选择的时候要看清楚材料的性能参数和应用。从国内的发 展状况，华中科技大学物理学院从压电发电的基础压电材料出发，研制新型的压 电陶瓷材料。吉林大学对压电发电技术的基础研究已经开展了多年，有了一定的 理论基础，并设计制作了两种压电发电装置的实验样机，为国内压电陶瓷发电打 下了良好的基础。 1 3 选题的意义 废旧电池潜在的污染已引起社会各界的广泛关注。我国是世界上头号干电池 生产和消费大国，1 9 9 8 年我国干电池的生产量达到1 4 0 亿只，而同年世界干电 池的总产量约为3 0 0 亿只【1 7 】。如此庞大的电池数量，使得一个极大的问题暴露出 来，那就是如何让这么多的电池不去破坏污染我们生存的环境。废旧电池内含有 大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液。如果随意丢弃，会造成严重的环境 污染。废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰等，其中镉、铅、汞是对 人体危害较大的物质。 电池的危害有目共睹，寻找可以代替传统电池的发电装置成为当今能源研究 与应用的热点。在某些领域或者场合，压电发电装置可以代替电池为微电子产品 供电或者为储能电池充电，它的优点为无电磁干扰、不污染环境，结构简单、不 发热、容易加工制作，容易实现结构上的集成化微小化。 但是通常情况下，环境能量很小，并且不连续，因此压电发电装置的发电能 力受到制约。如何使得遥控电子锁的俘能装置在普通的环境振动中俘获足够的能 量给镍氢可充电电池供电从而可以为无线发射供电，是本论文研究的主要内容。 其中，在遥控电子锁的空间制约下，如何实现发电装置的微型化，是研究的重点。 1 4 本文的研究内容 本文采用理论分析和实验相结合的方法，进行压电俘能器遥控电子锁的研究 和设计。 1 通过对压电材料及压电振子的特性分析，根据正压电效应理论，选择适合 于压电发电装置的压电陶瓷材料。研究不同压电材料的压电性能，压电振子的制 作技术，发电装置集成化、小型化设计方法。 2 设计制作不同类型的发电装置。设计悬臂梁式单晶压电振子，悬臂梁式双 6 武汉理+ 人学硕士学位论文 晶串联压电振子，四个混合串并联压电振子等发电装置。优化压电振子结构参数， 以提高能量转换效率。 3 设计压电发电装置与外部负载相连的两种方式：一是直接与外部负载相 连，二是经过整流滤波后再与负载相连，从而建立压电发电装置输出功率的实体 模型，并对两种实体模型进行分析比较。 4 用手动产生的脉冲激励，以钽电容和镍氢可充电电池为存储介质来进行试 验，并比较两种存储方式的不同，优缺点以及使用场合。 5 设计出遥控电子锁的无线发射电路。 6 确定了适合于汽车遥控电子锁的压电发电装置，并与无线发射装置连接在 一起进行实体试验。 7 武汉理工人学硕士学位论文 第二章压电俘能器基础理论分析 2 1 压电材料 1 8 8 0 年前在杰克斯的实验室发现了压电性。1 8 8 0 年，法国物理学家p 居 里和j 居里兄弟发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的 研究了施压方向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。随即， 居罩兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。 随着科学的发展，现在的压电陶瓷材料已经进入到研制新型复合压电陶瓷。 现在将压电陶瓷的分类简要说明一下： 1 压电单晶材料：是天然形成或者人工制成的，具有各向异性的单晶铁电体 材料，它具有的压电效应是基于组成晶体结构的点阵上正负离子相对位置变化而 引起的。常用的压电单晶有：石英，铌酸锂等。 2 压电陶瓷材料：通过粉末烧结方法人工焙烧制成的多晶铁电体材料，压电 陶瓷易于制成各种形状，可以多种振动模式振动以适应于各种用途，具有较高的 机电耦合系数，较高的回路增益和灵敏度，这是它的重要优越性。常见的压电陶 瓷有：钛酸钡( b a t i 0 3 ) ，锆钛酸钡( p b ( z r x t i l 咯) 0 3 ) ，钛酸铅( p b t i 0 3 ) 、铌 酸铅( p b n b 0 3 ) 、偏铌酸铅( p b n b 2 0 6 ) 等。这是一些三元系压电陶瓷。 3 极性高分子压电材料：具有压电效应的新型人工合成的半结晶聚合物，其 其压电效应是基于有极分子的转动，目前以聚偏氟乙烯( p ) f ) 性能最好。 4 复合压电材料及氧化锌压电薄膜：复合压电材料是将强介电性陶瓷微粒分 散混合于高分子材料中而构成的，其处理和使用与高分子压电材料一样，其压电 性能不仅依赖于陶瓷粒子，也和作为基体的高分子材料的种类有很大关系，特别 是和p v d f 及氟化亚乙烯基等介电率高的高分子的复合系，可用作强压电性材 料。这种压电材料无需像其他高分子压电体那样作延伸处理，内部各向同性，随 基体高分子种类的变化，可获得较大的弹性率变化范围，特别是可以热压成型， 实用上很方便。如p v d f 和p z t 系的复合材料，其压电性能和介电性能很稳定， 这类材料已达实用阶段，在应用方面与压电高分子聚合物材料很相似。除此外， 还有氧化锌压电薄膜，可以用于物质特性的研究，声光器件，超声延迟线，信息 和通讯领域。 2 2 压电效应 8 武汉理j r = 大学硕+ 学位论文 压电效应的原理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形 变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观 极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料 受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时， 会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动和 交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、 速度和加速度的测量元件以及电声传感器掣1 9 】。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化 现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到 不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受 力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制 成的。 逆压电效应是指：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电 效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形 型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5 种基本形式。压电晶 体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5 种状态下产生压电效应。例如石英晶 体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 2 3 压电陶瓷材料的性能参数 压电陶瓷的压电性能可以由多个压电参数表达，其中与压电发电装置相关的 参数主要有机电耦合系数k 、相对介电常数占、压电电压常数g ，机械品质因数q 。， 压电应变常数d 等，这些参数关系到一个很重要的问题，即压电发电装置中如何 选择压电陶瓷材料的主要理论依据。压电陶瓷材料经过制作时极化以后才具有压 电性，也就是说压电陶瓷的各项性能参数，在不同的方向上表现为不同的数值。 所以压电陶瓷的表征性能的参数比各向同性材料的要多。压电陶瓷的主要参数【2 0 】 具体来讲一下： 1 相对介电常数 反映材料的介电性质或者极化性质。不同用途的压电元件对相对介电常数要 求也不相同。电介质的独立介电常数的个数与电介质的对称性有关。通常压电元 件在高频状态工作时，相对介电常数要小，反之要大一些，相对介电常数可由 下式得出： 9 武汉理 二大学硕士学位论文 压电陶瓷的自由介电常数 。 真空状态下的介电常数 由于压电发电装置通常工作在超声波频率范围内，故常取g 1 5 0 0 。 2 机电耦合系数k 【2 1 】 综合反映压电材料性能的参数，表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。 它的意义为： 正压电效应：k = 塑絮粤鬻 逆压电效应：k = 皇篝筹警 机电耦合系数在不同的方向上有不同的数值，大小普遍在o 3 o 7 之间。机 电耦合系数k 值主要取决于压电陶瓷材料的类型，但是压电发电装置的工作条 件，结构，压电发电装置电极的大小和位置也影响了k 值。压电材料的机电耦 合系数不同，需要有不同的选择，当压电陶瓷用来发电时，对压电陶瓷的机电耦 合系数有很高的期望。 3 压电电压常数g 压电电压常数g 是应变所产生的电位移之间或者内应力所产生的电场之间 的关系。压电电压常数g 和压电应变常数d 的关系为： d g2 一 对于利用压电陶瓷的正压电效应( 由机械能而产生电能) 来说，希望压电陶 瓷材料具有较高的压电电压常数。 4 压电应变常数d 【2 2 】 当压电陶瓷被施加电压，它会产生一些形变，反映了这种形变量( 机械能) 和电学量( 电能) 之间的关系的常数就是压电应变常数，即： ，由电场强度梯度引起的应变之差 d 5 百葡面西陋一 由此可以看出，d 值的大小，代表了发射性能( 即电能转换为机械能的性能) 的优 劣，因此压电俘能器使用的压电陶瓷，压电应变常数应该越小越好。 5 机械品质因数瓯口3 】 机械品质因数的定义是机械损耗的反比，它表示在振动时能量转换时，材料 内部能量损耗的大小。压电振子作谐振振动时，要克服内部的机械摩擦损耗，在 有外部负载时还要克服外部负载的损耗，机械品质因数级。( 空载机械q 值) 及 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 姨( 有负载时的机械q 值) 是检验这些机械损耗大小的标志。因此： i i - i q m = 2 n 需 彬为压电振予谐振时存储的机械能，暇为压电振子谐振时一个周期内阻尼 震荡损耗的能量。机械品质因数越大，能量的损耗就越少。机械品质因数之所以 存在，表示任何压电陶瓷材料都不可能全部把输入的机械能用于输出。压电俘能 器的压电陶瓷片的机械品质因数应大于5 0 0 。 6 弹性常数s 压电陶瓷材料是一种弹性体，在允许的弹性形变范围之内，服从胡克定律， 压电陶瓷形变与受力成正比，反映了压电陶瓷弹性变形的能力。定义为： 压电陶瓷的形变 ” 加在压电陶瓷上的应力 7 。工作条件和工作范围参数 限定压电陶瓷的工作条件和规定压电陶瓷工作范围的参数，包括： 频率常数n ，：压电陶瓷在谐振频率状态下工作具有最好的输出。这是选择 确定压电陶瓷的重要参数，其尺寸与谐振频率乘积为常数，称为频率常数，。 居里温度乃：压电陶瓷在某一温度以下才具有压电性，其临界温度点称为 居里温度l 。 综上所述，压电材料的性能参数决定了压电材料的压电性。在压电发电装置 中，压电材料选择时，压电性能参数应利于正压电效应，即机电耦合系数k 比 较大、机械品质因数绋应大于5 0 0 、相对介电常数占应小于1 5 0 0 、压电应变常 数d 越小越好、压电电压常数g 越高越好、居里温度耳在工作温度范围外。同 时压电性能参数的分析为压电式自供能装置的设计提供了理论基础。 2 4 压电方程 压电陶瓷的压电性涉及到电学和力学之间的相互作用。压电方程是压电体的 两个电学量和压电体的两个力学量之间的线性关系的方程，电学量指电场强度e 和电位移d ，力学量指应力。和应变占。边界条件不同，压电方程自然也不同。 常用的压电方程如下： 1 边界条件为机械自由和电学短路的压电方程 边界条件为电学短路和机械自由，自变量是电场强度e 和应力t ，因变量是 电位移d 和应变s 。所以方程为： d ：d t + r e 武汉理工大学硕十学位论文 s = s e t + d e 其中，d 为电位移；d 为压电常数；z 为d 的转置；s 为应变；为介电常 数，e 为电场，t 为应力，s 为弹性柔顺常数。式中系数的上标表示，值为零时 对应的系数。第一个方程是正压电效应的压电方程，第二个方程是逆压电效应的 压电方程。 2 边界条件为电学短路和机械夹持的压电方程 边界条件为电学短路和机械夹持，自变量是电场强度e 和应变s ，因变量是 电位移d 和应力t ： t ：c e s p e d = e s + s 。e 其中，c 为弹性刚度常数，e 为e 的转置，t 为应力，e 为压电应力系数。 3 边界条件为电学开路和机械自由的电方程 边界条件为电学开路和机械自由，自变量是电位移d 和应力t ，因变量是电 场强度e 和应变s ： s = s d r + g r d e = 一蛆+ 8 id 其中，毋为g 的转置，g 为压电电压系数，p 为自由介电常数。 4 边界条件为电学开路和机械夹持的压电方程 边界条件为电学开路和机械夹持，自变量是电位移d 和应变s ，因变量是电 场强度e 和应力t ： t = c d s h , d e = 一h s + p sd 其中h 为电系数，h 为h 的转置。 2 5 本章小结 这一章从压电陶瓷材料的发展历史开始讨论，延伸到压电陶瓷现在的发展近 况和压电陶瓷发电的原理正压电效应。从材料性能开始讨论，每种压电材料的用 途都不一样，有发射型和接收性两种，有些适合做超声波换能器，有些适合做高 1 2 武汉理丁大学硕+ 学位论文 频振荡器。从理论的研究得出，适合做压电发电装置的材料，压电性能参数应利 于正压电效应，即机电耦合系数k 比较大、机械品质因数级应大于5 0 0 、相对 介电常数s 应小于1 5 0 0 、压电应变常数d 越小越好、压电电压常数g 越高越好、 居里温度乃，在工作温度范围外。因为本论文是为无线发射电路提供能量，所以， 选择发射型压电陶瓷p z t - 4 。 不同的边界条件对应4 种压电方程，这为实际应用提供的理论依据。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 压电振子 第三章压电振子 能受外加交变信号的激励而产生振动的压电晶体或者压电晶体与弹性体的 连接体成为压电振子。压电振子是表面覆盖电极并且具有一定形状的压电陶瓷， 在压电发电装置中的机电换能元件，也就是将外界机械能转换为电能的压电元 件，是有正负极的物体。因为压电陶瓷片很硬但是很脆，单体振动能产生的位移 非常小，因此通常把压电陶瓷片粘连在某种弹性体上，一起构成振动装置，这种 振动装置叫复合压电振子【2 4 】。压电俘能器的核心元件就是压电振子。所以本文从 压电振子的性能，几何参数，振动模式和支撑方式入手，来研究适合遥控电子锁 的压电振子。 常见的压电振子有矩形和圆形两种，结构有单晶和双晶两种，如图3 1 所示。 研究表明，相对于圆形压电振子，矩形压电振子具有固定简单、容易产生形变的 优点，适合负载需求能量比较小的领域，再者，在相同的外界激励和固定方式下， 矩形压电振子可以产生比圆形压电振子高的能量。所以，试验选用矩形压电振子。 单晶压电振子 压电陶瓷片 双舌羝电振子 图3 1 压电振子的结构 3 2 压电振子的振动模式 压电陶瓷片 压电振子是压电俘能器的核心部分，功能是将机械能转换为电能，在同样的 条件下，例如，设置电极，激励和按所需方向极化等，同一个尺寸的压电振子在 机械能和电能相互转换的过程中，振动方式各种各样，把这种振动模式通常称为 振动模态。另外，各种振动模态之间还存在着耦合作用或者相互影响，因此进行 压电振子的设计时，不仅要选择性能良好的压电陶瓷材料，还要选择合适的振子 振动模式【2 5 - 3 0 1 。 通常来说，压电陶瓷激发的振动分成四类，如图3 2 所示。 ( a ) t e 模：表示平行于电场方向的伸缩振动( 厚度方向) 模态 1 4 武汉理t 大学硕十学位论文 ( b ) l e 模： ( c ) t s 模： ( d ) f s 模： 表示垂直于电场方向的伸缩振动( 长度方向) 模态 表示平行于电场平面内的剪切振动( 厚度方向) 模态 表示垂直于电场平面内的剪切振动( 表面方向) 模态 ( a j l ei b j t e 化 f s( d ) t s 图3 - 2 压电振子的振动模式 、压电振子进行上述4 种振动时，将会产生伸缩振动、弯曲振动和扭曲振动， 所以压电陶瓷产生了形变。压电陶瓷发电一般采用的是弯曲振动形式，即l e 振 动模式，其极化方向和形变方向与电场方向垂直。 3 3 压电振子的谐振 任何物体都有自己的固有频率，压电陶瓷也不例外，而压电陶瓷的谐振频率 就是物理学上的固有频率，压电陶瓷工作在谐振频率范围内时，机电转换的效率 最高，压电陶瓷的谐振频率是由频率常数和尺寸决定的一个参数，它的大小是由 生产中的工艺参数决定的，如晶粒的密度和实度，成型的压力，极化电压的大小 等【27 1 。如何判定谐振频率的表现昵? 把压电陶瓷接入回路，如图3 3 所示。外界 激励振动，压电陶瓷的电阻抗最小，电流最大时，就说明压电陶瓷工作在谐振频 率范围内，而这一外界激励的频率与压电陶瓷的谐振频率很接近，所以这一外界 频率基本就是压电陶瓷的谐振频率。与谐振现象相对应，压电陶瓷也存在一个反 谐振频率，此时电源回路表现为电流最小，而阻抗最大。也就是说，压电振子的 电流随频率的变化而变化，并出现相应的极大值和极小值。这同样说明，压电陶 瓷的阻抗也随着激励频率的变化而变化。如图3 - 4 所示【2 7 】。z 代表阻抗的绝对值； 厶为谐振频率；，：| 为反谐振频率。 在外界的激励振动下，压电振子能达到谐振状态时，压电振子的机电转换效 率达到最大。频率特性是压电俘能器的一个重要指标，为了保证压电振子的机电 转换效率，充分利用环境中的振动能量，提高压电振子的工作效率，所以，研究 压电振子的固有频率至关重要。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 压撩予 图3 - 3 压电振子接入回路图 驴 j 岛二mj 互 图3 _ 4 压电陶瓷的谐振特性曲线 3 4 压电陶瓷的等效电路 在正压电效应下，压电陶瓷的电特性等效电路如图3 5 所示。 图3 5 电特性等效电路 图中，r 为绝缘电阻，阻值一般在1 0 9q - 1 0 1 4q 之间，可认为是开路的， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 c 为压电陶瓷的等效电容，所以电荷q 对电容c 充电，充电电压= 罟。所以 满足上面等式关系的情况下，电荷等效电路和电压等效电路是等效的【3 0 1 。 3 5 压电振子的激励方式 利用正压电效应，压电振子振动发电的激励方式有：强制振动式，冲击自由 振动式和惯性振动式三种 3 2 】。 3 5 1 强制振动式 强制振动式是指：通过外界的施加振幅，迫使压电振子发生形变而产生电量 的方式。外界施加的振幅举例来说：用手直接按压压电振子或者用其他工具按压 压电振子。如图3 - 6 所示。 压电陶瓷 3 5 2 冲击自由振动式 图3 - 6 强制振动式 冲击自由振动式是指：在一个封闭的空间里，利用一个质量适当的金属球对 压电振子进行冲击，达到使压电振子发生形变的目的。冲击自由振动式可以产生 瞬间的大电流。如图3 7 所示。 o 钢球 基板 图3 7 冲击自由振动式 1 7 武汉理工大学硕十学位论文 3 5 3 惯性振动式 惯性振动式是指：在压电振子的一段，加上一个质量块，使压电振子和质量 块一起构成一个弹簧系统，稍微的外界激励，比如走路时的轻微振动，由于重力 作用质量块会下垂，压电振子会像弹簧的另一端一样把质量块拉回来，这样，压 电振子与质量块一起振动，自然就会产生形变，如图3 8 所示。这种振动式不用 人的特意参与，利用平时看起来无用的振动能量来实现，虽然发电能力相比前两 种弱一点，但是振动的比较持久，可以持续提供电能。 ；中击 图3 - 8 惯性振动式 3 6 压电振子的支撑方式 压电振子的支撑方式和尺寸是影响压电陶瓷发电的主要因素。不同的支撑方 式，振动时能量的输出会有较大的差异。常见的压电振子的支撑方式有以下四种： 3 6 1 悬臂梁支撑 悬臂梁支撑的方式可以产生最大的柔顺系数和弯曲，谐振频率也较低。长方 形压电陶瓷或者正方形压电陶瓷用悬臂梁支撑方式。 3 6 2 自由边界支撑 图3 - 9 悬臂梁支撑 自由边界支撑方式实际安装起来有点麻烦，一般不采用。如图3 1 0 所示 1 8 武汉理丁大学硕十学位论文 3 6 3 简支支撑 图3 1 0 自由边界支撑 简支支撑方式中，压电陶瓷元件是被弯曲的支撑在两个振动的支撑点上，如 图3 1 1 所示。支撑的结构简单，材料结实，损耗也降到了最低。通常来说，圆 形的压电振子发电适用于简支支撑。 3 6 4 周边固定支撑 支撑点 图3 1 1 简支支撑 周边固定支撑是把压电振子的两端都固定住，这种固定产生的形变很小，不 太适合压电陶瓷发电。 基板 图3 1 2 周边固定支撑 综合考虑这四种支撑方式，本文所研究的压电遥控电子锁，选用悬臂梁式的 支撑方式。 3 7 压电陶瓷的联接方式 压电陶瓷发生形变后，上下表面会带不同的电荷，用导线将其连接起来形成 回路就会产生电流。单片压电陶瓷的发电能力会很弱，为了使压电发电装置在小 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 频率的振动下也可以获得高的电能，可以将多片压电陶瓷进行串并联联接起来。 串联和并联两种情况会使环境中的机械能更高的转化成电能。 3 7 1 压电陶瓷的串联 压电陶瓷在制作的时候会极化，所以按压产生形变的时候，就会有正负极之 分。压电陶瓷的串联如图3 1 3 所示。压电陶瓷的串联是把压电陶瓷带正电的一 面和另一片带负电的一面通过导电的基板联接起来，这样，两个表面的正负电荷 会抵消。两片压电陶瓷联接在了一起，这个结合体的上表面带的是正电荷，下表 面是负电荷。由此可知，这个结合体的总电荷q 等于单片压电陶瓷的电荷q ，而 输出电压u 却等于单片压电陶瓷电压u 的两倍。总电容c 等于单片压电陶瓷电 容c 的一半。 即：q = q ，u = 2 u ，c = o 5 c 3 7 2 压电陶瓷的并联 压电陶瓷串联 图3 1 3 压电陶瓷的串联 并联的两片压电陶瓷，带负电的一面和另一片带负电的