按壓微型壓電自發(fā)電系統(tǒng)的研制

應(yīng)用壓電材料設(shè)計了一種按壓式機電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將其產(chǎn)生的輸出電壓控制在 50 V 以內(nèi)，便于能量轉(zhuǎn)換和收集。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)了一塊電荷能量轉(zhuǎn)換和收集電路，將產(chǎn)生的交變電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓，為低功耗電子系統(tǒng)供電；最后對其發(fā)電性能進(jìn)行測試分析。實驗測試結(jié)果表明，所開發(fā)的按壓微型壓電自發(fā)電系統(tǒng)能產(chǎn)生平均功率為 0.413 μW 電能，可以為各類低功耗電子設(shè)備提供能源。

Abstract — A pressing miniature piezoelectric self-generating system is designed and developed， which can be used as power supply for various low power electronic systems. A pressing electromechanical conversion structure is designed by using piezoelectric materials， whose output voltage is controlled within 50V to facilitate energy conversion and collection. On this basis， a charge energy conversion and collection circuit is designed and developed to convert the generated alternating voltage into a stable voltage for low power electronic systems. Finally， the power generation performance is tested and analyzed. The experimental testing results show that the developed piezoelectric self-generating system can generate an average power of 0.413μW， and can provide energy for various low-power electronic devices.

Index Terms — energy conversion circuit， piezoelectric materials， pressing type， self generating.

0 引言

能源短缺問題是人類面臨的重要難題之一，尋找各種新型清潔能源成為當(dāng)務(wù)之急。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)可將一些機械能轉(zhuǎn)換為電能，通過對所產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和收集，可為各種低功耗電子系統(tǒng)提供電源［1-12］。本課題利用壓電材料設(shè)計并制作一套按壓式機械能到電能的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并按此轉(zhuǎn)換裝置的輸出電能特性設(shè)計和開發(fā)一套電能轉(zhuǎn)換和收集電路，最后對所開發(fā)的按壓式壓電自發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能進(jìn)行測試和分析，為后續(xù)工程應(yīng)用提供理論和實驗基礎(chǔ)。

1 按壓壓電發(fā)電裝置的設(shè)計

利用壓電材料的 d33 正壓電效應(yīng)設(shè)計和開發(fā)一款按壓微型壓電自發(fā)電裝置，用于將各種按壓機械能量（如手動按壓、機構(gòu)按壓等）轉(zhuǎn)換為電能。

按壓微型壓電自發(fā)電裝置的發(fā)電能力和使用壽命不僅取決于壓電材料性能，也取決于其幾何尺寸及受力狀態(tài)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要按照壓電材料性能要求、壓電材料表面處理要求、壓電元件受力要求等進(jìn)行合理的設(shè)計，以滿足發(fā)電要求和使用壽命。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的基于壓電材料的按壓壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)。

（1）按壓機構(gòu)。所設(shè)計按壓機構(gòu)，用于將外部按壓的機械能通過彈簧機構(gòu)集聚后瞬間釋放，撞擊壓電元件，使壓電元件在兩個電極之間產(chǎn)生電荷能量。另外，該按壓機構(gòu)在完成一次按壓發(fā)電后，后續(xù)則在另一彈簧作用下使其恢復(fù)到初始狀態(tài)，以便進(jìn)行一下次按壓發(fā)電。

考慮到按壓時所產(chǎn)生的輸出瞬時電壓不能過大（不能超過 50 V），以便后續(xù)電能轉(zhuǎn)換和收集，要求按壓機構(gòu)的瞬時沖擊力不能過大，為此合理設(shè)計了按壓沖擊彈簧的彈簧系數(shù)，其剛度設(shè)計為 5.0 N/mm，以確保沖擊力滿足發(fā)電要求，又不會損壞壓電元件。

（2）壓電元件。壓電元件是由兩個 PZT 壓電陶瓷圓柱在結(jié)構(gòu)上串聯(lián)、在電路上并聯(lián)而成，其一端與金屬底座相連，用作地線，另一端直接引出，用作高壓電極。

這樣所產(chǎn)生電荷能量為一個 PZT 壓電陶瓷圓柱 2 倍，而且絕緣處理只需處理好一個高壓電極即可，用作地線的電極不用處理。壓電材料的連接端面必須相互平行、且垂直于軸向，并盡可能光滑，無任何凹凸痕跡。

（3）金屬底座。金屬底座用來保護(hù)壓電元件，使其在圓柱端面上受力均衡，延長其使用壽命。另外，它還用作壓電元件的輸出地極，避免對其進(jìn)行絕緣處理。金屬底座材料需要符合的條件為：與 PZT 材料聲阻抗接近，這樣可獲得良好的聲匹配；有較好的彈性，在受力時有形變但應(yīng)變量不大。本課題選用銅作為金屬底座的制作材料。另外，在加工制作時需要將金屬底座內(nèi)部面向壓電元件的表面處理的平坦和光滑，其粗糙度不得大于 Ra＝0.2。

（2）塑料外殼。塑料外殼主要用來承受按壓外力，保護(hù)壓電元件、輸出電極等結(jié)構(gòu)元件。

塑料外殼需要滿足的要求為：其擊穿電壓至少應(yīng)為壓電按壓裝置產(chǎn)生的峰值電壓的兩倍；具有良好的防水性；具有良好的耐溫性。本課題選用的塑料外殼材料為聚乙烯，它適合于注塑外殼。

（5）輸出引線。輸出引線是壓電材料的兩個輸出電極，用于將所產(chǎn)生的電荷能量輸送出來，一個是高壓電極、一個是地極。輸出引線的電容和漏電阻，兩者都取決于引線的長度和所用絕緣材料的質(zhì)量。因此，引線一定要盡可能短。為了避免高壓引線和有鋒利棱角的金屬零件接觸，在實際中應(yīng)將引線固定。

1.2 加工制作

設(shè)計的結(jié)構(gòu)，按壓微型壓電自發(fā)電裝置制作如下。

（1）按壓機構(gòu)。按壓機構(gòu)主要由兩個彈簧、兩個撞擊塊和按壓結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用于將按壓機械能量經(jīng)過集聚后釋放出來，撞擊壓電材料以產(chǎn)生一定的電荷能量。

（2）壓電元件。本課題所選用的壓電元件材料為 PZT，其幾何結(jié)構(gòu)為壓電陶瓷圓柱，具體如圖 2 所示。加工制作時，如果 PZT 壓電圓柱表面絕緣程度不夠，則沿圓柱體壁的跳火放電是不可避免的，這樣就大大地降低了輸出能量或根本不輸出。因而，PZT 壓電圓柱在裝配前必須充分清洗，其程序是：水-酒精-汽油。清洗后在其壁上涂上一層絕緣材料，常用選用硅脂。為了能夠滿足發(fā)電能力和使用壽命，對該壓電陶瓷圓柱的兩個表面需要進(jìn)行處理，使其達(dá)到一定的光滑程度，且兩個端面垂直于中心軸。

（3）金屬底座。金屬底座用銅質(zhì)材料制作，用于保證其具有一定彈性和良好導(dǎo)電性，用作地極。

（4）塑料外殼。塑料外殼用聚乙烯材料制作而成，滿足按壓微型壓電自發(fā)電裝置對絕緣性、防水性、防高溫等特性要求。

（5）輸出引線。地線從金屬底座引出，高壓電極從壓電材料另一端引出，用于將壓電材料所產(chǎn)生的電荷能量輸送出來。，將上述各元件組裝起來，便得到本項目所要制作的按壓微型壓電自發(fā)電裝置實物。

2 能量轉(zhuǎn)換收集電路設(shè)計

本項目的能量轉(zhuǎn)換電路是利用分立電子元器件進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)一款電路系統(tǒng)，用于對壓電發(fā)電裝置的輸出電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

2.1 電路原理設(shè)計

壓電材料能量回收原理電路基本。

2.2 電路開發(fā)制作

3 壓電發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能測試

壓電發(fā)電測試系統(tǒng)主要用于對本項目中各類基于壓電材料的微型發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能進(jìn)行測試和分析，以便有效評估所設(shè)計的各類壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能。

3.1 發(fā)電性能測試系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

根據(jù)上述測試參數(shù)及對其測試范圍的初步分析，選擇美國是德公司的 CX3324A 型“器件電流波形分析儀”來對本課題中的各項參數(shù)進(jìn)行測試和分析，以便對各類壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能進(jìn)行測試、分析和比較。

美國是德公司的 CX3324A 型“器件電流波形分析儀”可測量電壓、電流（10 nA 級）信號波形，并可對電壓、電流信號進(jìn)行各類數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)對其功率、電能的測量和分析。

（1）壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能測試系統(tǒng)設(shè)計。壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能測試系統(tǒng)設(shè)計框。

（2）壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能指標(biāo)分析。① 輸出電壓特性：測量壓電發(fā)電裝置所產(chǎn)生電源的電壓波形，U（V）。② 輸出電流特性：測量壓電發(fā)電裝置所產(chǎn)生電源的電流波形，I（A）。③ 輸出功率特性：基于壓電發(fā)電裝置的電壓波形和電流波形，測量其輸出功率特性，P＝U×I（W），P（t）＝U（t）× I（t）（W）。④輸出電能特性：基于上述壓電發(fā)電裝置的瞬時功率波形，對從開始產(chǎn)生電能到產(chǎn)生電能結(jié)束這段時間內(nèi)的電能大小進(jìn)行測量（積分），W＝P×t（J），W＝∫0t P（t）dt（J）。

3.2 壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能測試

根據(jù)壓電發(fā)電測試方案，對所開發(fā)的按壓壓電微型發(fā)電裝置的發(fā)電性能進(jìn)行實驗測試，以便對其測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對其發(fā)電性能進(jìn)行評估和比較。

應(yīng)用美國是德公司的 CX3324A 型器件電流波形分析儀所構(gòu)建的壓電按壓裝置微型發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能測試系統(tǒng)實物。另外，該壓電按壓發(fā)電裝置在各次按壓發(fā)電時，其沖擊壓電材料的作用力大小和作用時間有所不同，導(dǎo)致其每次發(fā)電效果會有所差異（但基本上處于同一數(shù)量級），且每次按壓后的發(fā)電量微弱，難以用一次按壓的發(fā)電結(jié)果來有效表征其發(fā)電能力。

為此，課題組將該壓電按壓微型發(fā)電裝置的每次發(fā)電時間設(shè)定為 20 s，并按照正常的按壓頻率進(jìn)行按壓，按壓頻率設(shè)定為 0.5～1.0 Hz 之間，也就是說在每次 20 s 的發(fā)電時間內(nèi)完成 20 次左右的按壓。最后對其在 20 s 內(nèi)按壓 20 次后的發(fā)電性能進(jìn)行測試和記錄，以避免單次按壓發(fā)電時所出現(xiàn)的較大差異，便于對其發(fā)電性能進(jìn)行評估和比較。

（1）實驗測試曲線。在實際測試過程中，課題組按照一次 20 s 的發(fā)電時間，對其進(jìn)行了多次發(fā)電測試和記錄，其中一次發(fā)電后的發(fā)電性能曲線。

（2）測試數(shù)據(jù)分析。按照每次發(fā)電測試曲線上的測試數(shù)據(jù)，所開發(fā)的按壓壓電裝置發(fā)電性能測試結(jié)果如下表 1 所示，此處只列出了 5 次發(fā)電測量結(jié)果。由表 1 可以看出，所研制的壓電按壓微型發(fā)電裝置每次按壓可產(chǎn)生平均功率為 0.413 μW、輸出電能為 8.252 μJ 的電能。在實際應(yīng)用過程中，可以通過反復(fù)多次按壓該壓電按壓微型發(fā)電裝置，讓其產(chǎn)生更多的電能。

4 結(jié)語

設(shè)計一款新型按壓微型壓電自發(fā)電裝置，所產(chǎn)生電壓控制在 50 V 以內(nèi)，便于能量的轉(zhuǎn)換和收集。同時，設(shè)計并開發(fā)了一塊電荷能量轉(zhuǎn)換和收集電路，將所產(chǎn)生的交變電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓，為低功耗電子系統(tǒng)供電。

實驗測試的結(jié)果表明，所開發(fā)的按壓微型壓電自發(fā)電系統(tǒng)能產(chǎn)生平均功率為 0.413 μW 電能，可以為低功耗電子系統(tǒng)提供能源。
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