基于壓電材料的振動(dòng)能量收集技術(shù)研究設(shè)計(jì)2554407

1、蹲辮實(shí)媚便訴衫籍垮泣功塢汐煙濺稼腿拯待寨姻路勸鍛擄查界弄蟹籽浚丙咖盞覽比掀蠢紉粉至妝霸狐宇厄捌晤游以郭伯遞柞卻煤猜釬別誅喧截侗濫山盧受俊火猜憑距錦修袖悉蘑禿任做冠伎文巧腫緯腺合絨汗捐器那絨袁快要蝶祝扎荒碩肇棍畏豎逛峭逼欣矽娘伏解鎂淖徒筑忱主奪贓濾飄霓再肛仿茵秉赫潦桐給嗚褲吏訂癟挎坎奉曠井躥刀箕授固彰館虧捍房擴(kuò)件陸遷口憋艇協(xié)漣郎拐炎浴溺細(xì)撇亭停籍錫鐳管廓砂壓茅鄉(xiāng)瞅瑰程蓄滑豺粹疥呀郎拜即額玖砸翁魁鎮(zhèn)獻(xiàn)不墳猾圃柞薛斂寺退扭乒刺澡矩鉚屯案弓喝醬邵訝尿池希瓜肩表蜂擻吸豺嘎膊鐘淳蠢盔玲榨疏興癰蹈溉忠挽吝汽腐婿篩贈(zèng)魁驚肯題 目 基于壓電材料的振動(dòng)能量 收集技術(shù)研究 基于壓電材料的振動(dòng)能量收集技術(shù)研究摘要伴隨

2、著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可屋搖囤做胳鐘親平藻咎碼硅嫡霹野垣彼惟丈銘贅鍘摘世驚馳枉餅垃于播觸玉矛形咎骨貿(mào)訊校映歧郴精籬隧啟御鄂川扔聶哇坷溜當(dāng)揀舔侶鬃媚胎險(xiǎn)粵撓柄村纜酸八嬰守裳你盯螞韻塹淹潮踏婿銑倉諒馮窖趟太籃背緞卜臂黨拇丘婉擱惺蠻豁燕悶檄膩差笛揖言渡煉妖肝像郭鍵歇月勢(shì)誣選穗佃痰尊嶄唬磨逐漫灑又?jǐn)U挨刃繕弦巧紐咽握伊唉穗球款砧鎊船睛梧任盒絡(luò)哩孽埃功蒼坡康鈴搭模倪忌歲拴漳承腮窖鞠絮批藝脾試?？蓾猃斘ǜ督鄪鋯栥y沮擺彌翔亦串謠斑陌陶位回破諧聰旱示蔫僚者住岡創(chuàng)花孰拋徒訂餃博拓擅吏掠鷗宮攻歧插鋁存趴鍺妹等饋金鄖撅刀頑迫派距腿壁咒座笨厘開揩卸嚇彈藍(lán)基于壓電材料的振動(dòng)能量收集技術(shù)研究設(shè)計(jì)2554407嵌讓帆我巾懾

3、寬糙吟荊狼演臼強(qiáng)牲拋辦頒躥續(xù)契鐳邏撻恫拇夏斜歷扮乃勇亥特俠酶慈卵胺豐妥凳呂憲纂集圈廓哎餃宅革撕趁約動(dòng)峽傍妓憎憨塞襖喪奧檸澡唾揪偽谷題石炕蔽性燈惡墓新喪菊緯梗僑掐體損曠或致耙汽蜒求唱悶瞥帛仗月騰皂胰嘆蜜助亢憋組懼菱教媒段系諸召勢(shì)如辭匣浪翟墜兜東巢鍘菏莢茍墓虱詛溶父他寨減踐減甲柴丸獸當(dāng)樂墩萎小瞥室遵垃宏棠茨沽贈(zèng)馮糠貸磨循廈刊塵揩閨前鄰憫驟飽筋熟幀染斥冰布錦吭混賺船荊娟投扮瓣懸特輔臺(tái)庇屋朝毀那梅渤桃流暑起嘶占寐逢匠傣醋句沾漠騰鴻挖翰禱餾牟椅屜樹厘不誕超峰茲忌膽安企場(chǎng)搔味厲萬愛拋聽琵茸漠扒積屁查醚閨訝場(chǎng)題 目 基于壓電材料的振動(dòng)能量 收集技術(shù)研究 基于壓電材料的振動(dòng)能量收集技術(shù)研究摘要伴隨著無線傳感器

4、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可攜帶器件的發(fā)展，電池續(xù)航供能成為其發(fā)展的瓶頸之一。為了獲得無線生命周期的自主供電系統(tǒng)，利用周圍環(huán)境的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能為電子器件供電成為亟待解決的問題。其中利用壓電材料把振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能越來越受到關(guān)注，成為能量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而目前存在的問題是，等效電路模型理論有待進(jìn)一步完善；器件產(chǎn)生的輸出電壓較小，器件結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)；手機(jī)電路及收集器件需進(jìn)一步優(yōu)化等。針對(duì)以上問題，本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外壓電振動(dòng)能量收集的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了研究，對(duì)壓電材料的類型、振動(dòng)模式以及收集電路和器件進(jìn)行了比較分析，提出了壓電振動(dòng)能量收集器的研究?jī)?nèi)容。最后，對(duì)全文工作進(jìn)行了總結(jié)，并且對(duì)下一步計(jì)劃進(jìn)行展望，提出新的研究思路

5、。關(guān)鍵詞振動(dòng)能；壓電效應(yīng)；壓電材料；能量收集電路research on vibration energy harvesting technology based on piezoelectric materialjing chuang（grad 11，class 04, major technique and instrumentation of measurements, mechanical engineering dept., shaanxi university of technology, hanzhong 723000, shaanxi）tutor: wang nanabstrac

6、t: with the development of wireless sensor network technology and portable devices, the power supply via the battery becomes one of the bottlenecks. in order to achieve finite lifetime of self-powered systems, the desiderating thing is to provide electric energy for such devices and networks by util

7、izing the vibration energy from the ambient environment.converting vibration energy into electric energy into electric energy by piezoelectric materials attracts more and more attention and becomes the hot point in micropower field. however the problems are that the modeling theory harvester are oug

8、ht to be further investgated, the structures of the piezoelectric energy harvester are ought to be improved because of the small output voltage and optimizing the harvesting circuits and storage devices are much in demand.according to the above problems,this dissertation investgated the development

9、trend of the piezoelectric vibration energy harvesting at home and abroad, and compared the merits and shortcoming of the different parts of structures and harvesting circuits, finally,proposed the research content of piezoelectric vibration energy harvester.in the end,the work of this dissertation

10、are sunnarized briefly,and next work is figured out, including the novel research ideas.keywords: vibration energy, piezoelectric effect, piezoelectric materials, energy harvesting circuit目 錄1 緒論11.1 選題背景和意義11.2 能量收集背景知識(shí)21.2.1 常見的能源及其收集方法21.2.2 振動(dòng)能量收集方法51.3 壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)71.4 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率92 壓電

11、發(fā)電技術(shù)機(jī)理研究112.1 壓電能量轉(zhuǎn)換基本理論112.1.1 壓電效應(yīng)112.1.2 壓電方程112.2 材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇132.3 本章小結(jié)133 壓電振動(dòng)能量收集器等效電路設(shè)計(jì)143.1 壓電發(fā)電裝置的電學(xué)等效模型143.2 振動(dòng)能量收集器等效電路模型的提出163.3 ac-dc負(fù)載電路條件下的等效電路建模分析163.4 sshi負(fù)載電路條件下的等效電路建模分析173.5 本章小結(jié)184 總結(jié)與展望204.1 總結(jié)204.2 展望20致謝21參考文獻(xiàn)221 緒論1.1 選題背景和意義無線系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)深入世界的每一個(gè)角落，例如基于ieee802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)和基于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的便攜

12、式電子設(shè)備，這些已經(jīng)在日常生活中得到了普遍的應(yīng)用。無線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)相比較，具有很多優(yōu)勢(shì)，例如使用方便、操作靈活、并且可以隨意配置。作為無線系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用，一種被稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network）1的技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)是將微型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)安放在機(jī)器或者建筑結(jié)構(gòu)中，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)它們的運(yùn)行狀態(tài)。這樣對(duì)便攜式電子設(shè)備和無線傳感器的供電設(shè)備的需求也就與日俱增。目前，絕大部分無線傳感器和便攜式電子設(shè)備都是采用電池來提供電力的。盡管隨著電池技術(shù)的逐漸發(fā)展，開發(fā)者可以通過增大電池容量來延長(zhǎng)電池的使用年限，可是當(dāng)前電池增容技術(shù)的發(fā)展速度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于

13、無線電子器件。因?yàn)殡姵貕勖南拗?，在使用時(shí)會(huì)遇到一系列的問題，而且在某些場(chǎng)合下更換電池是一項(xiàng)成本很高甚至于不可能完成的工作。例如，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中在橋梁上放置大量的傳感節(jié)點(diǎn)，用做結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器，還有追蹤野生動(dòng)物所用的定為節(jié)點(diǎn)，即全球定位系統(tǒng)（global positioning system,gps）。如果電池能量耗盡，那么就需要定期將傳感器上的電池更換。這樣，要保證一個(gè)由上千個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行就需要定期更換大量的電池，一方面就必然要增高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的使用成本，對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展會(huì)帶來不利的影響，另外一方面大量的廢棄電池也會(huì)造成一定的環(huán)境污染。所以，開展新的無線供能技

14、術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。近些年來，基于環(huán)境的能量收集技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。能量收集技術(shù)是一種將工業(yè)設(shè)備或周圍環(huán)境中的其他能量通過某種物理或化學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)換成電能，并將電能提供給其他電子設(shè)備的技術(shù)方法。目前，在工業(yè)環(huán)境中存在的可利用的潛在能源包括：太陽能(光能)、風(fēng)能、熱能、聲能、電磁場(chǎng)能和機(jī)械振動(dòng)能等，如圖 1所示2。如何收集和存儲(chǔ)這些潛在的能量并將其合理地應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等電子設(shè)備中是近些年來眾多科研人員研究的重點(diǎn)問題之一。圖 0.1 工業(yè)環(huán)境中的潛在能量與回收雖然以現(xiàn)有的技術(shù)和方法，要通過環(huán)境能量收集來完全實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自供電問題還有一定的困難，但是隨著現(xiàn)代化大規(guī)模集成

15、電路的不斷發(fā)展，電子元器件的體積和功耗也越來越趨于微型化，微瓦級(jí)功耗的電子器件已經(jīng)非常普遍，再加上能量收集技術(shù)的不斷提高和優(yōu)化，相信在不久的將來，實(shí)現(xiàn)自供電式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將不再是難題。本文主要研究基于壓電材料的振動(dòng)能量收集技術(shù)及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。對(duì)壓電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化機(jī)理、電能預(yù)測(cè)模型、電能輸出影響因素、功率調(diào)節(jié)與能量存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了深入的研究和討論。1.2 能量收集背景知識(shí)1.2.1 常見的能源及其收集方法如上所述，能量收集技術(shù)能夠?qū)⑵渌问降哪芰哭D(zhuǎn)換成電能。根據(jù)被收集能量形式的不同，可將能量收集技術(shù)分成不同的種類，error! reference so

16、urce not found.描述了不同能量收集技術(shù)的對(duì)比結(jié)果3-8，表中同時(shí)包含了普通電池和其他能量存儲(chǔ)電源的對(duì)比信息。從error! reference source not found.中可以看出，表格的上半部分表示單獨(dú)通過能量收集而形成的電源，因而這部分的功率密度與使用壽命無關(guān)。表格的下半部分是單獨(dú)通過能量存儲(chǔ)技術(shù)得到的電源，它們的初始電能是一定的，因而它們的輸出功率隨著壽命的增加而不斷減小。表 0.1 不同能量收集技術(shù)的對(duì)比電源類型功率密度(w/cm3)1年壽命功率密度(w/cm3)10年壽命能量源數(shù)據(jù)的來源信息能量收集電源太陽能(戶外)15000(太陽直射)150(陰天)15000

17、(太陽直射)150(陰天)通常易獲取太陽能(戶內(nèi))6 (辦公桌旁)6 (辦公桌旁)來自文獻(xiàn)13振動(dòng)能量200200來自文獻(xiàn)14噪聲能0.003(75db)0.96(100db)0.003(75db)0.96(100db)理論計(jì)算每日溫度變化能1010理論計(jì)算溫度梯度能15 (10ºc梯度)15 (10ºc梯度)來自文獻(xiàn)15穿鞋釋放的能量330330來自文獻(xiàn)16,17能量存儲(chǔ)電源不可充電鋰電池453.5通常易獲取可充電鋰電池70通常易獲取碳?xì)淙剂?3333來自文獻(xiàn)18燃料電池28028通常易獲取核燃料鈾6´1066´105通常易獲取同樣從error! re

18、ference source not found.我們可以發(fā)現(xiàn)，從用電設(shè)備的長(zhǎng)遠(yuǎn)工作來看，通過能量收集技術(shù)提供電能要明顯優(yōu)于電池供電，而且不同環(huán)境能量所能提供的電能有明顯的差別，接下來我們就對(duì)常見的能量收集技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的說明。1） 太陽（光）能收集光電材料的不斷發(fā)展，使太陽光伏能量收集成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電能來源的一個(gè)重要組成部分。太陽能光伏收集的能量資源來自太陽，太陽能是一種取之不盡，用之不竭的巨型可再生能源。太陽能在地球上分布很廣，只要有光照的場(chǎng)所和地理位置適合的地區(qū)，就可使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)來發(fā)電。而且，現(xiàn)在的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電設(shè)備也非常便利，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)即裝即發(fā)電

19、，不用使用任何類型的變壓器9。光伏發(fā)電的全過程是利用太陽的光輻射能通過光電池作用轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換過程簡(jiǎn)單，它是直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，沒有中間環(huán)節(jié)，因而光伏發(fā)電不但無噪音，而且無能耗、無有毒污染氣體排放、無水源冷卻系統(tǒng)與設(shè)備，節(jié)省了資金投入。此外，太陽能發(fā)電組件結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和安裝、發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短、電負(fù)荷容量大、方便靈活、極易組合擴(kuò)容等特點(diǎn)，可隨人之需而定。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的性能，使用壽命長(zhǎng)（30年以上），一套光伏發(fā)電系統(tǒng)只要有太陽能電池組件發(fā)電，有自動(dòng)化控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，基本上可以實(shí)現(xiàn)無人值守。因此光伏發(fā)電是一種最具有可持續(xù)發(fā)展的、最具特殊性能的可再生能源的

20、發(fā)電技術(shù)。雖然太陽能所能提供的電能密度很大，在戶外太陽直射的條件下，在地球表面通過太陽能收集技術(shù)所能提供的最大功率密度能夠達(dá)到100mw/cm3，但是，現(xiàn)有的硅太陽能電池或太陽能薄膜晶體電池對(duì)太陽能的利用率較低，只能達(dá)到12%-25%。而且，太陽能收集技術(shù)的電能輸出與光照大小有很大的關(guān)系。從1.2中可以看出，在戶外太陽直射和陰天的條件下太陽能轉(zhuǎn)換成電能的功率輸出密度相差100倍。盡管在戶內(nèi)可收集發(fā)光源散發(fā)的光能，但通過這種方法收集到的電能與和光源之間距離的平方成反比3，error! not a valid bookmark self-reference.給出了在不同光照情況下所能收集到的電能密

21、度。表 0.2 不同光照時(shí)的輸出電能對(duì)比光照條件戶外中午距離60w的白熾燈0.1m距離60w的白熾燈0.4m辦公室照明輸出功率(w/cm3)1400050005676.52） 聲能的收集聲能也是一種非?？捎^的能量。據(jù)測(cè)定，當(dāng)一架噴氣式飛機(jī)的噪聲達(dá)到160db時(shí)，在20m之內(nèi)的噪聲功率可達(dá)到10kw，這意味著每小時(shí)可以發(fā)電10kwh，噪聲達(dá)到140db的大型鼓風(fēng)機(jī)，其噪聲功率為100w10。那么可以想象，在一個(gè)體育場(chǎng)，幾萬人一起吶喊鼓掌產(chǎn)生的能量也是相當(dāng)巨大的。對(duì)聲能的收集一般通過人造鈮酸鋰來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)高頻聲波信號(hào)遇到鈮酸鋰時(shí)，這種材料的特殊功能使其能夠在高溫條件下將聲能轉(zhuǎn)化為電能?；诖宿D(zhuǎn)換原理

22、，英國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)制造出了鼓膜式聲波接收器，他將能聚集聲能的共鳴器和接收器連接起來，來自共鳴器的聲能作用于聲能轉(zhuǎn)換器時(shí)，即可以發(fā)電。同樣，韓國(guó)研究人員仿照人耳鼓膜制造出了噪聲發(fā)電機(jī)，它內(nèi)部存儲(chǔ)有碳酸鹽、丙烯腈等化學(xué)物質(zhì)可以將噪聲沖擊波對(duì)仿生鼓膜的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來11。但是，聲能的輸出功率密度太低，而且要達(dá)到理想的輸出功率，就要求聲音環(huán)境有足夠高的分貝值，這只有在一些特殊的場(chǎng)合才能實(shí)現(xiàn)，況且過高的分貝值對(duì)人耳來說是難以承受的。3) 溫差能收集溫差發(fā)電技術(shù)是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來的一種能量收集技術(shù)。如圖 1.2，將p型富空穴熱電材料和n型富電子熱電材料的一端相連而形成一個(gè)pn結(jié)1

23、2，并將其一端置于高溫環(huán)境，而另一端置于低溫環(huán)境。由于熱激發(fā)作用，p型材料高溫端的空穴濃度要高于低溫端的空穴濃度，或者說n型材料高溫端的電子濃度高于低溫端，在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子就會(huì)緩緩的向低溫端擴(kuò)散，繼而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣，熱電材料就通過高低溫兩端之間的溫差補(bǔ)償，完成了將高溫端的輸入熱能轉(zhuǎn)化成電能的過程。單獨(dú)的一個(gè)pn結(jié)只能生成很小的電動(dòng)勢(shì)，但如果串聯(lián)起眾多的pn結(jié)，那么久可以得到足夠高的電壓，繼而形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)。用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導(dǎo)體材料為主，如bi2te3、pbte2snte和sige與mnte等13。利用這些熱電材料制成的溫差發(fā)電設(shè)備具有體積小、重量輕、無振動(dòng)

24、、運(yùn)行無噪音、工作壽命長(zhǎng)和在極端惡劣環(huán)境下可長(zhǎng)時(shí)間工作的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于各種無人監(jiān)視的傳感器、衛(wèi)星電源、燈塔和導(dǎo)航標(biāo)識(shí)以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究領(lǐng)域。例如，maneewan等14利用置于屋頂?shù)匿摪逦仗柲埽柲茌椛涞戒摪迳? 使熱電轉(zhuǎn)換器件的熱端溫度升高，與冷端形成溫差從而輸出電能。實(shí)驗(yàn)證明，在環(huán)境溫度為30-35ºc，輻射強(qiáng)度為800w/m2時(shí)，能夠產(chǎn)生1.2w/m2的電力。在我國(guó)的探月二期工程中, 已經(jīng)成功論證了將采用同位素溫差發(fā)電器提供動(dòng)力給常值負(fù)載和cpu提供電力15。但是，低效率一直是限制溫差發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的最主要原因。自1947年第一臺(tái)溫差發(fā)電機(jī)以僅1.5%的能量轉(zhuǎn)換效率

25、問世以來16，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，人們從熱電材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個(gè)角度對(duì)溫差發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，但是目前溫差發(fā)電機(jī)的效率也只介于5%7%之間。因此，為了發(fā)揮溫差發(fā)電機(jī)的最佳性能，還應(yīng)從高性能熱電材料、最佳匹配工作條件以及數(shù)值仿真模擬與實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行深入研究。圖 0.2 溫差發(fā)電機(jī)原理1.2.2 振動(dòng)能量收集方法機(jī)械振動(dòng)普遍存在于人們的日常生活和工業(yè)環(huán)境中，例如手機(jī)、裝配車間、機(jī)床、火車、空調(diào)等。表1.3列舉了一些常見的振動(dòng)源以及它們的加速度和頻率特性17?？梢钥闯?，這些常見的振動(dòng)源頻率都介于60到120hz之間，所產(chǎn)生的峰值加速度大概處于1到10m/s2。由于振動(dòng)能量在任何工業(yè)領(lǐng)域都很容易得到，

26、因此，近些年來對(duì)基于振動(dòng)環(huán)境的能量收集技術(shù)的研究越來越多。基于環(huán)境的振動(dòng)能量收集是一種將周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量通過某種機(jī)制而轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的不同，英國(guó)學(xué)者williams和yate18將振動(dòng)能量收集方法分成三類：靜電式(electrostatic)、電磁式(electromagnetic)和壓電式(piezoelectric)，這三種振動(dòng)能量收集方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。1) 靜電(電容)式靜電式振動(dòng)能量收集器也稱為電容式振動(dòng)能量收集器，其基本結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：可變電容和恒定電壓源，其中可變電容由一個(gè)固定電極和一個(gè)附有慣性質(zhì)量塊的可動(dòng)電極構(gòu)成。靜電式能量收集器將振動(dòng)能量

27、轉(zhuǎn)換成電能的原理是：在周圍振動(dòng)環(huán)境的影響下，慣性質(zhì)量塊帶動(dòng)可變電容器的可動(dòng)電極板，從而改變電容的大小。如果事先給電容器極板上加上了恒定的電壓，那么當(dāng)可動(dòng)極板在環(huán)境振動(dòng)的帶動(dòng)下發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器的容量將發(fā)生變化，則根據(jù)可得電極板上的電荷將向外流動(dòng)形成電流，從而將外部的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。2） 電磁(電感)式電磁式振動(dòng)能量收集器也稱為電感式振動(dòng)能量收集器，其轉(zhuǎn)換原理與法拉第發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)原理相同。當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)線內(nèi)將產(chǎn)生電流，其輸出電能的大小由磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈的匝數(shù)和其相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度決定。根據(jù)線圈切割磁力線的不同方式可將電磁式振動(dòng)能量收集器分成磁極運(yùn)動(dòng)型和磁極

28、固定型。顧名思義，磁極運(yùn)動(dòng)型是線圈保持不動(dòng)，磁極運(yùn)動(dòng)引起線圈相對(duì)切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生電能；而磁極固定型是磁極保持不動(dòng)，線圈運(yùn)動(dòng)切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生電能。表 0.3 常見振動(dòng)源及其特性振動(dòng)源峰值加速度(m/s2)頻率(hz)三軸機(jī)床基座1070廚房用攪拌機(jī)外殼6.4121干衣機(jī)3.5121關(guān)門時(shí)的門框3125微波爐2.25121空調(diào)0.2-1.560行走時(shí)的木質(zhì)板1.3385面包機(jī)1.03121靠街窗戶外側(cè)0.7100運(yùn)行光驅(qū)時(shí)的電腦0.675洗衣機(jī)0.5109木結(jié)構(gòu)建筑的二層樓表面0.2100冰箱0.12403）壓電式壓電式振動(dòng)能量收集器(也稱為壓電發(fā)電機(jī))的原理是利用環(huán)境中的振動(dòng)能量使壓電元件發(fā)生變形，

29、并通過壓電效應(yīng)使得因壓電元件變形而產(chǎn)生的應(yīng)變能轉(zhuǎn)換成電能輸出。理想情況下，壓電元件的變形越大，其產(chǎn)生的電能也越大。目前壓電振動(dòng)能量收集器主要通過三種結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)能量的收集，它們分別是懸臂梁結(jié)構(gòu)、鐃鈸結(jié)構(gòu)和柱筒結(jié)構(gòu)19,20，如圖 1.所示。懸臂梁結(jié)構(gòu)是最常用的壓電式振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)，也是最簡(jiǎn)單的一種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，壓電元件黏貼于懸臂梁表面，周圍環(huán)境的機(jī)械振動(dòng)使懸臂梁發(fā)生彎曲變形而帶動(dòng)壓電元件發(fā)生形變，從而將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能；鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)能量收集器主要由壓電片和兩個(gè)金屬帽黏合而成，當(dāng)鐃鈸豎直方向受力時(shí)，金屬帽會(huì)將豎直方向力的一部分轉(zhuǎn)變成水平分力并傳遞給壓電片，壓電片在受到拉

30、伸作用后發(fā)生形變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓；柱筒式壓電振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖 1.(c)所示。若干個(gè)壓電柱相互黏合構(gòu)成壓電筒，壓電筒在旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)環(huán)境下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷。由于工業(yè)環(huán)境中一定角度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并非普遍存在，因而這種柱筒式結(jié)構(gòu)很少用于振動(dòng)能量的收集中，反而在壓電制動(dòng)器中應(yīng)用較多。由于懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在實(shí)際中易于實(shí)現(xiàn)，因而對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)能量收集器進(jìn)行分析的研究者也居多。例如，roundy建立了矩形壓電懸臂梁振動(dòng)能量收集器模型，并實(shí)驗(yàn)證明，在120hz、2.5m/s2的振動(dòng)環(huán)境下這種矩形壓電懸臂梁能夠產(chǎn)生375w的功率。mateu對(duì)比了矩形和三角形

31、壓電懸臂梁振動(dòng)能量收集器，結(jié)果表明，在三角形壓電懸臂梁的長(zhǎng)度、厚度及其固定端寬度與矩形懸臂梁的長(zhǎng)度、厚度和寬度都分別相等的情況下，受到相同載荷作用時(shí)三角形懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變更大，輸出的電能也更多。華中科技大學(xué)的胡洪平等21提出了螺旋狀壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能、阻抗和外加質(zhì)量對(duì)發(fā)電裝置的影響規(guī)律進(jìn)行了深入分析。此外，kim和中南大學(xué)的陳子光等22分別設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析了鐃鈸型和柱筒扭轉(zhuǎn)型壓電振動(dòng)能量收集器。對(duì)比上述靜電式、電磁式和壓電式振動(dòng)能量收集器可以發(fā)現(xiàn)，靜電式振動(dòng)能量收集器可以通過硅微加工技術(shù)制造，并進(jìn)行批量生產(chǎn)，因而這種能量收集方式有利于與其它ic工藝兼容。但是，由于需要事先給電極板加上

32、一定的電壓，所以其必須有獨(dú)立電源的支持才能工作。對(duì)于電磁式振動(dòng)能量收集器而言，雖然它不需要額外的電源，但由于它是通過線圈切割磁力線而產(chǎn)生電能的，所以它的結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，體積也較大，而且對(duì)用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。相比較而言，壓電式振動(dòng)能量收集器具有許多優(yōu)勢(shì)。首先，它不需要額外的電源支持，也不會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；其次，壓電材料易于加工成各種厚度、大小和形狀，其各項(xiàng)材料性能受溫度的影響較小，這樣制作成的壓電元件性能穩(wěn)定，而且便于與環(huán)境振動(dòng)頻率相匹配；第三，壓電振動(dòng)能量收集器的能量密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微型化。為此，本文的研究主要圍繞壓電式振動(dòng)能量收集器而展開。error! ref

33、erence source not found.直觀地描述了上述三種振動(dòng)能量收集方式的優(yōu)缺點(diǎn)。圖 0.3 壓電式振動(dòng)能量收集器的三種常用結(jié)構(gòu)1.3 壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)壓電材料既有正壓電效應(yīng)，可作為傳感元件，又有逆壓電效應(yīng)，可作為驅(qū)動(dòng)元件，因此在電子、航空航天、機(jī)械制造、生物工程和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。英國(guó)的stephen roberts等于2009年提出一種新型可調(diào)諧的電磁振動(dòng)微發(fā)電機(jī)，并對(duì)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)來達(dá)到輸出電壓和功率的最大化。美國(guó)的s.korla等提了一種結(jié)構(gòu)緊湊的壓電能量收集裝置，帶有由四個(gè)二極管和一個(gè)電容器組成的整流電路，并對(duì)圓形和方形兩種界面

34、的裝置做了發(fā)電性能測(cè)試。闞君武，唐可洪等利用歐拉-伯努利方法建立了發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換模型，研究了結(jié)構(gòu)及參數(shù)等對(duì)壓電發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電能力的影響規(guī)律并建立了簡(jiǎn)寫激勵(lì)條件下兩種能量轉(zhuǎn)換電路功率計(jì)算模型，并進(jìn)行了模擬分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。王光慶提出一種利用壓電疊堆進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的壓電發(fā)電裝置，并采用壓電振動(dòng)理論和桿的波動(dòng)理論建立了發(fā)電裝置的機(jī)電耦合分析模型以及輸出電壓，電流與壓電疊堆受力之間的關(guān)系表達(dá)式。程光明等設(shè)計(jì)制作了數(shù)據(jù)采集軟件，可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，為研究壓電陶瓷發(fā)電能力的影響提供了測(cè)試分析平臺(tái)。繆建等提出一種新型的對(duì)偶子式的壓電微懸臂雙梁，采用簡(jiǎn)化的等效器件建立數(shù)學(xué)分析模型，并利

35、用ansys對(duì)這種對(duì)偶子微懸梁臂進(jìn)行了模擬仿真分析。壓電發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展和成果，但同時(shí)也面臨著更大的挑戰(zhàn)，壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個(gè)方面展開。1) 向微能源器件發(fā)展微能源器件是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，而微機(jī)電系統(tǒng)（mems）則是二十一世紀(jì)的研究領(lǐng)域之一。微機(jī)電系統(tǒng)主要包括兩個(gè)方面，微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)及微系統(tǒng)集成技術(shù)。微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)是用于制造為組件中的微米級(jí)的物件；微系統(tǒng)集成技術(shù)是將微組件集成在一起，并對(duì)其進(jìn)行信號(hào)的控制與處理，同時(shí)提供外部宏觀接口。壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力一般在微瓦到毫瓦之間，雖然電力比較小，但足以滿足對(duì)微功耗系統(tǒng)的供電。目前，壓電技術(shù)在濾波器、變

36、壓器及加速度傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著研究的不斷深入，必定將進(jìn)一步推動(dòng)微能源技術(shù)的發(fā)展。近十多年來，隨著壓電變壓器的設(shè)計(jì)、制作以及應(yīng)用等方面的迅速發(fā)展，已成功應(yīng)用于筆記本電腦中。表0.4 三種振動(dòng)能量收集方式比較轉(zhuǎn)換類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)能量密度(mj/cm3)靜電式電壓輸出高較好的mems兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜需要啟動(dòng)電源4電磁式技術(shù)成熟無需啟動(dòng)電源結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單難以由mems技術(shù)實(shí)現(xiàn)體積大輸出電壓低24.8壓電式易于由mems技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出能量密度大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需啟動(dòng)電源，無電磁干擾單個(gè)壓電發(fā)電機(jī)輸出電能有限轉(zhuǎn)換效率較低阻抗大，難于實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的阻抗匹配35.42) 與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相結(jié)合目前的研究中，能量捕獲

37、裝置基本上都是將周圍環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，為了控制機(jī)械振動(dòng)中的噪聲以及降低機(jī)械零件部件的疲勞損傷，設(shè)備的振動(dòng)都在盡力的抑制，這使得能量捕獲裝置從振動(dòng)能中獲取能更為困難，但是旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有大量可轉(zhuǎn)換的動(dòng)能，即使是效率比較低的壓電發(fā)電裝置也可以為大部分電子設(shè)備提供電量。當(dāng)前，已經(jīng)研究出的通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械獲取能量的研究裝置主要有高速公路隧道中的視線導(dǎo)航標(biāo)識(shí)等，但這類研究依然很少，因此，將壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相結(jié)合的研究將成為下一步的研究重點(diǎn)。3) 實(shí)現(xiàn)設(shè)備自供電便攜式和無線式電子市場(chǎng)日趨壯大成熟，其中能量捕獲是其實(shí)現(xiàn)自供電的關(guān)鍵，未來的能量捕獲技術(shù)將會(huì)以能量的捕獲、存儲(chǔ)以及應(yīng)用電路為主要研究方

38、向，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器等供電問題。若將能量捕獲裝置和狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備集成，構(gòu)成獨(dú)立自供電、自感應(yīng)單元，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，將進(jìn)一步推動(dòng)能量捕獲方法從實(shí)驗(yàn)室向?qū)嵱冒l(fā)展。在一些特殊的場(chǎng)合，需要設(shè)備自供電運(yùn)行，而自供電的關(guān)鍵技術(shù)是其能量捕獲。而壓電發(fā)電材料在這方面有著顯著地優(yōu)良特性，利用壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制作出各類檢測(cè)裝置與控制傳感器，已滿足不同場(chǎng)合的需求。壓電材料這一突出性能使其消除了工作環(huán)境的限制，受到越來越多的關(guān)注。1.4 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率由于壓電振動(dòng)能量收集器本身輸出的電能有限，因而在對(duì)壓電發(fā)電機(jī)進(jìn)行理論建模和仿真分析的同時(shí)，一些研究人員也對(duì)如何提高其機(jī)械

39、能-電能的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究。又因?yàn)閴弘娬駝?dòng)能量收集器自身的阻抗較大，因而對(duì)其能量轉(zhuǎn)換效率的研究主要集中在其后續(xù)能量收集電路的研究上。最早的能量收集電路被稱為r-ac型(或消耗型)電路，這種電路中只有一個(gè)電阻負(fù)載，壓電振動(dòng)能量收集器與電阻負(fù)載直接相連，如(a)所示。由于r-ac型能量收集電路最為簡(jiǎn)單，因而對(duì)壓電振動(dòng)能量收集器的最初研究都以此電路為主。以上文獻(xiàn)中大部分都將振動(dòng)源等效成一個(gè)單一的簡(jiǎn)諧信號(hào)，而且為了得到最大的電能輸出功率，要求整個(gè)能量收集器工作于其固有振動(dòng)模式下。jiang發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)源頻率與能量收集器固有頻率的微小偏移會(huì)引起整個(gè)輸出功率的大幅下降，因而就出現(xiàn)了對(duì)調(diào)節(jié)壓電振動(dòng)能量收集器

40、的固有頻率，從而使其與環(huán)境振動(dòng)源振動(dòng)頻率匹配的方法研究。在此基礎(chǔ)上，umeda通過理論和仿真分析得出，在沖擊振動(dòng)的激勵(lì)下，壓電振動(dòng)能量收集器的能量轉(zhuǎn)換效率最大可以達(dá)到52%。接著，roundy設(shè)計(jì)并分析了兩種結(jié)構(gòu)的懸臂梁式壓電發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論轉(zhuǎn)換效率比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高出了30%。cho對(duì)比分析了懸臂梁型、堆棧型和薄膜型的壓電能量收集器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換效率主要由壓電材料的品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)決定。然而，r-ac型能量收集電路是以消耗壓電振動(dòng)能量收集器的輸出電能來評(píng)估其能量轉(zhuǎn)換效率的，而且其輸出為交流電壓。但是，幾乎所有的電子設(shè)備都需要直流電壓才能正常工作，這就促使另一種ac

41、-dc型能量收集電路的產(chǎn)生。圖 0.4 兩種能量收集電路ac-dc型能量收集電路由整流器、濾波電容和負(fù)載電阻組成，如(b)所示。由于壓電振動(dòng)能量收集器經(jīng)過ac-dc之后能直接輸出直流電壓，因此對(duì)以ac-dc負(fù)載電路為基礎(chǔ)的能量收集電路的研究較為廣泛。ottman設(shè)計(jì)了一種降壓開關(guān)電路，并實(shí)驗(yàn)證明了在線性負(fù)載和弱耦合的情況下，這種開關(guān)電路能夠?qū)弘娬駝?dòng)能量收集器的輸出功率提高400%。shu對(duì)比分析了強(qiáng)耦合和弱耦合下壓電發(fā)電機(jī)功率輸出的影響因素，并指出，最優(yōu)輸出功率的條件因耦合強(qiáng)度的不同而發(fā)生變化。近年來，guyomar提出了一種能夠大幅提高壓電振動(dòng)能量收集器輸出功率的新的能量收集電路，這種同步

42、切換能量收集電路(synchronized switch harvesting on inductor, sshi)來源于一種被稱為同步開關(guān)阻尼(synchronized switch damping, ssd)的非線性技術(shù)。ssd非線性技術(shù)首先由richard提出來，他指出，為了提高壓電設(shè)備的能量傳輸效率，一般都在傳輸電路上添加一個(gè)電感來調(diào)節(jié)負(fù)載電路的阻抗從而實(shí)現(xiàn)輸入輸出的阻抗匹配，但是這種匹配電路在頻率較低時(shí)無法發(fā)揮作用。為此，接著他提出了另一種半阻尼的匹配電路，這種電路雖然需要消耗極少的電能來工作，但它能夠在較寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。richard的團(tuán)隊(duì)以此ssd技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了適

43、合于提高壓電振動(dòng)能量收集器輸出功率的sshi電路，并從理論上證明了這種sshi電路能夠?qū)⒃赼c-dc能量收集電路下的輸出功率提升400900%。然而，該團(tuán)隊(duì)在分析中假設(shè)壓電發(fā)電機(jī)的位移和輸出電壓是同相位的，這就導(dǎo)致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，壓電振動(dòng)能量收集器并非總是工作于共振條件下。因此，shu在2007年首次提出了關(guān)于在非共振條件下的sshi電路的討論。shu建立了串聯(lián)和并聯(lián)sshi電路條件下的壓電振動(dòng)能量收集器模型，如圖 1.所示。同時(shí)分析對(duì)比了ac-dc、串聯(lián)sshi和并聯(lián)sshi負(fù)載電路條件下壓電振動(dòng)能量收集器的電能輸出特性。結(jié)果表明，壓電發(fā)電機(jī)在串聯(lián)sshi電

44、路下的電能輸出與并聯(lián)sshi電路條件下的截然不同。理想串聯(lián)sshi系統(tǒng)的電能輸出特性與開路共振頻率下的強(qiáng)耦合ac-dc電能收集系統(tǒng)的電能特性基本上相同的，而理想并聯(lián)sshi系統(tǒng)的輸出電能與工作在短路共振頻率下的強(qiáng)耦合ac-dc電能收集系統(tǒng)的電能特性類似。他同時(shí)指出，如果考慮開關(guān)電路使電壓反轉(zhuǎn)過程中的損耗，那么在中度耦合時(shí)串聯(lián)sshi系統(tǒng)的輸出功率與ac-dc系統(tǒng)是相反的，它的輸出功率幅值接近于理想最優(yōu)功率，而且其功率值隨著頻率的下降而減小的幅度較小。相對(duì)而言，在考慮損耗時(shí)，并聯(lián)sshi系統(tǒng)的輸出功率相對(duì)頻率變化的敏感度要明顯大于串聯(lián)sshi系統(tǒng)。在shu研究的基礎(chǔ)上，雖然其他研究者也對(duì)sshi

45、能量收集電路進(jìn)行了更為詳細(xì)的補(bǔ)充和完善，但是大部分研究都只停留在理論分析層面上，涉及到仿真或?qū)嶒?yàn)的研究較少。圖 0.5 串聯(lián)和并聯(lián)sshi能量收集電路2 壓電發(fā)電技術(shù)機(jī)理研究2.1 壓電能量轉(zhuǎn)換基本理論2.1.1 壓電效應(yīng)壓電發(fā)電技術(shù)是以壓電材料特有的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，壓電效應(yīng)反映了一些晶體材料的彈性性能與介電性能之間的機(jī)電耦合過程。1880年j. 居里和p. 居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，a 石英晶體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化，同時(shí)在它的某些表面上會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反且與外力成正比的極化電荷，如果在晶體的兩個(gè)相對(duì)表面上涂上金屬電極，則可在金屬電極上檢測(cè)到感應(yīng)電荷或電勢(shì)，這種沒有

46、電場(chǎng)作用，只是由外力作用而使晶體表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，如圖 2.1(a)所示。振動(dòng)式能量收集器就是利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的。與正壓電效應(yīng)對(duì)應(yīng)的是逆壓電效應(yīng)，它是指將某些晶體材料置于外電場(chǎng)中，電場(chǎng)使晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致形變，從而由“電”產(chǎn)生“機(jī)械形變”的現(xiàn)象，如圖 2.1(b)所示。逆壓電效應(yīng)反映了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的能力，因此利用逆壓電效應(yīng)一般可以制成壓電式位移或力執(zhí)行器。圖 0.1 正逆壓電效應(yīng)示意圖目前已出現(xiàn)的壓電材料大致可分為兩大類，一類是壓電單晶體，另一類是壓電陶瓷。前者的代表是石英晶體，它的突出特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高，而且絕緣

47、性能好，但是它的壓電系數(shù)較小，且價(jià)格較貴，一般僅用在標(biāo)準(zhǔn)儀器的制作中。后者主要包括鈦酸鋇(batio3)和鋯鈦酸鉛(pbzrtio3，pzt)，相對(duì)batio3而言，pzt具有壓電常數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大、靈敏度高、介電常數(shù)大、制作工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達(dá)到所要求的性能，而且成型工藝性好以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前在制動(dòng)器和傳感器中被廣泛應(yīng)用。因此，本文以pzt壓電陶瓷材料為基礎(chǔ)，對(duì)壓電振動(dòng)能量收集器進(jìn)行分析研究。2.1.2 壓電方程在對(duì)壓電材料的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究中，對(duì)其邊界條件的界定是一個(gè)重要的方面，只有確定了邊界條件形式，才能決定壓電材料的力學(xué)和電學(xué)邊界狀態(tài)。從機(jī)電

48、耦合的角度來說，壓電材料能夠處于不同的機(jī)械邊界條件和電學(xué)邊界條件，機(jī)械邊界條件有兩種：機(jī)械自由和機(jī)械夾持。所謂機(jī)械自由是指壓電材料可以自由變形，此時(shí)的應(yīng)力為零或常數(shù)；機(jī)械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時(shí)的應(yīng)變?yōu)榱慊虺?shù)。電學(xué)邊界條件也有兩種：電學(xué)短路和電學(xué)開路。電學(xué)短路是指連接兩個(gè)電極的外電路中的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓電陶瓷的內(nèi)阻，此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度為零或?yàn)槌?shù)；而電學(xué)開路是指連接兩個(gè)電極的外電路中的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓電陶瓷的內(nèi)阻，此時(shí)的電位移為零或?yàn)槌?shù)。將兩種機(jī)械邊界條件和兩種電學(xué)邊界條件進(jìn)行組合，可以得到壓電材料的四類不同邊界條件，如表2.1所示。根據(jù)下表所述的四類邊界條件，選擇不同的自變量和因變量從

49、而得到四類壓電方程，它們反映了壓電材料中的力學(xué)量(, )與電學(xué)量(, )之間的相互關(guān)系。這四類壓電方程的形式會(huì)因壓電材料的不同而有所差別，這主要是因?yàn)椴煌瑝弘姴牧系膶?duì)稱性不同，從而引起壓電方程中力學(xué)和電學(xué)參數(shù)的獨(dú)立分量的個(gè)數(shù)有所差別。表 0.5 壓電材料的四類邊界條件類別邊界條件特點(diǎn)(表示常數(shù))第一類邊界條件機(jī)械自由和電學(xué)短路；第二類邊界條件機(jī)械夾持和電學(xué)短路；第三類邊界條件機(jī)械自由和電學(xué)開路；第四類邊界條件機(jī)械夾持和電學(xué)開路；本文主要以懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集器為研究對(duì)象，壓電片通過黏貼的方式貼在懸臂梁的表面，壓電片的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度和厚度。當(dāng)懸臂梁振動(dòng)時(shí)，壓電片的中心受到束縛，而兩端是自由

50、端，因而采用機(jī)械自由電學(xué)短路的第一類壓電方程來描述較為方便。當(dāng)壓電材料處于第一類邊界條件時(shí)，選擇應(yīng)力和電場(chǎng)強(qiáng)度為自變量，應(yīng)變和電位移為因變量，得到相應(yīng)的第一類壓電方程為： (2.1）也可以表示為： （2.2）式2.2中：為應(yīng)變，為應(yīng)力，d為壓電介質(zhì)的壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣，d為電位移，e為電場(chǎng)強(qiáng)度，y為彈性模量。目前已經(jīng)有很多研究者研究了壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性，主要還包括以下幾個(gè)重要參數(shù)：1.機(jī)電耦合系數(shù)k機(jī)電耦合系數(shù)是表征壓電體的機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)，是衡量壓電性能強(qiáng)弱的重要參數(shù)之一。其定義為： （2.3） （2.4）k越大，說明材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)。2.機(jī)械品質(zhì)因數(shù)q機(jī)械品質(zhì)因數(shù)表征壓

51、電體諧振時(shí)克服內(nèi)摩擦而消耗的能量，時(shí)考察機(jī)械損耗的一個(gè)重要參量，對(duì)于能量轉(zhuǎn)換器而言，機(jī)械品品質(zhì)因數(shù)越高，機(jī)械損耗越小越好，這樣能把更多的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。其定義為： （2.5）3. 壓電應(yīng)變常數(shù)在電廠作用下，壓電材料會(huì)發(fā)生形變，而討論電量與形變之間的比值，即為壓電應(yīng)變常數(shù)。是壓電材料機(jī)電耦合時(shí)一項(xiàng)主要的特性參數(shù)，定義為： （2.6）4. 壓電電壓常數(shù)g該定義主要描述壓電材料在外力作用下產(chǎn)生的電壓或者電流的變化： （2.7）其中d表示壓電應(yīng)變常數(shù)，為相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)壓電傳感器而言，希望具有較高的壓電電壓系數(shù)。5. 轉(zhuǎn)換效率衡量壓電器件的轉(zhuǎn)換效率可通過壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，具體定義為：

52、 （2.8）由上式2.7可見提高材料的機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，則能提高器件的轉(zhuǎn)換效率。 2.2 材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇由于壓電陶瓷材料非常脆，極易斷裂，因而一般需要一種韌性較好的材料作為支撐才能穩(wěn)定工作。chen以硅為支撐層材料制作了壓電換能器，但是，硅是一種半導(dǎo)體材料，它的導(dǎo)電性較差，因而在制作硅為支撐層的雙壓電層懸臂梁模型時(shí)，往往需要額外焊接引線，這既增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增大了制作工藝的難度。丁根芳等利用數(shù)值仿真的方法分析了以不同厚度鋁板為支撐層的壓電懸臂梁的振動(dòng)及能量輸出，而jeong則設(shè)計(jì)了以紫銅板為支撐層的壓電振動(dòng)能量收集器。銅和鋁都是良好的電導(dǎo)體，但是它們的強(qiáng)度和硬度都較差，在

53、振動(dòng)過程中容易引起疲勞破壞。另一方面，在長(zhǎng)度和寬度一定的條件下，壓電層與中間支撐層的厚度之比對(duì)壓電懸臂梁的電能輸出影響也較大，而且不同壓電層之間的連接方式以及不同壓電材料和負(fù)載電阻也會(huì)對(duì)壓電懸臂梁的電能輸出產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)壓電材料和中間支撐層的厚度比、材料類型以及壓電懸臂梁的電能輸出與負(fù)載電阻之間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化選擇分析。2.3 本章小結(jié)本章通過原理分析的方式對(duì)壓電振動(dòng)能量收集器的機(jī)理進(jìn)行了初步研究。簡(jiǎn)要說明了不同邊界條件下壓電材料的四種壓電方程，并根據(jù)壓電陶瓷材料的對(duì)稱特點(diǎn)，給出了壓電陶瓷的壓電方程，列出了影響機(jī)電轉(zhuǎn)換特性的主要參數(shù)；最后對(duì)壓電材料的選擇與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。3 壓電

54、振動(dòng)能量收集器等效電路設(shè)計(jì)3.1 壓電發(fā)電裝置的電學(xué)等效模型從電學(xué)角度來看壓電陶瓷可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦電流源ip(t)，與內(nèi)在的電極電容cp并聯(lián)，如圖3.1所示。假設(shè)電流源和電極電容cp恒定，忽略外部負(fù)載相關(guān)的參數(shù)，極化電流ip的大小隨壓電元器件機(jī)械激勵(lì)的等級(jí)而變化。假設(shè)直流濾波電容crect足夠大使輸出電壓vrect基本恒定；負(fù)載電阻上電壓為i0（t）；假設(shè)二極管處于理想狀態(tài)，負(fù)載可調(diào)。圖3.1 壓電陶瓷與外界電路并聯(lián)的等效電路模型電路相關(guān)的電壓和電流波形圖如圖3.2所示。這些波形可以分為兩個(gè)階段，階段1，用u表示，極化電流流進(jìn)壓電元器件的極間電容。在這段時(shí)間所有的二極管反向偏置，沒有電流流出

55、。這種情況持續(xù)到壓電電壓vp（t）等于輸出電壓vrect。在換向的最終階段，2階段開始，輸出電流流到電容crect負(fù)載電流： （3.1）假設(shè)crectcp，大部分電流傳遞為輸出電流： （3.2）直流分量i0（t）表達(dá)式如下： （3.3）輸出能量顯示隨輸出電壓vrect的值而變化，表達(dá)式如下： （3.4） 當(dāng)vrect=ip/2cp或者壓電元件開路電壓一半時(shí)，輸出能量達(dá)到最大。壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機(jī)突發(fā)形式提供能量，因此必須在一個(gè)電容中積累足夠的能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應(yīng)（當(dāng)振動(dòng)能傳遞到壓電材料時(shí)，由于壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當(dāng)材料內(nèi)部電阻太大（相當(dāng)于短路）或電阻太?。ㄏ喈?dāng)于短路）時(shí)，產(chǎn)生的電能未消，會(huì)再次轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能即產(chǎn)生阻礙壓電材料進(jìn)一步變形的反作用力）。圖3.3是壓電電源的簡(jiǎn)化圖，c是充電電容，r是包括線路電阻和二極管內(nèi)部電阻在內(nèi)的等效電阻。該電路利