阮斌+陶振強(qiáng)+賈南南

摘要： 為實(shí)現(xiàn)低頻率，高強(qiáng)度的振動(dòng)能量回收和利用，提出一種基于壓電流體耦合作用的壓電晶片式液壓發(fā)電裝置。通過(guò)理論分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用直徑60 mm，厚度1.6 mm的壓電晶片以及直徑16 mm，高度50 mm的液壓缸制作樣機(jī)，用水作為工作介質(zhì)，測(cè)試了裝置在不同激勵(lì)頻率、激勵(lì)電壓、系統(tǒng)背壓及加載質(zhì)量等條件下的電壓輸出情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)激勵(lì)頻率（工作頻率）在27 Hz左右時(shí)，該壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的輸出電壓達(dá)到最大，且在一定的范圍內(nèi)，發(fā)電裝置輸出電壓隨著激勵(lì)電壓、系統(tǒng)背壓及加載質(zhì)量的增加而增加，驗(yàn)證了液壓壓電發(fā)電的可行性。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)； 壓電陶瓷； 液壓壓電； 發(fā)電裝置

中圖分類(lèi)號(hào)： TM 619文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.016

引言隨著各種微電子產(chǎn)品迅速發(fā)展及遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)技術(shù)的快速興起，對(duì)器件的自供電技術(shù)提出了更高的要求，如今研制一種穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)易的并且無(wú)污染的微型發(fā)電裝置已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[14]。目前應(yīng)用中主要有電磁發(fā)電裝置、靜電發(fā)電裝置以及壓電發(fā)電裝置等[56]，其中基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)[7]而發(fā)展的壓電發(fā)電裝置，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、易于制作及無(wú)污染等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、生物工程和光學(xué)工程等領(lǐng)域[34]。但是由于壓電陶瓷本身較脆易碎，在變形過(guò)大或受力過(guò)大時(shí)都將導(dǎo)致永久性失效，使得壓電陶瓷應(yīng)用受限。目前沒(méi)有好的方法能直接吸收利用汽輪發(fā)電機(jī)、汽車(chē)減震系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的高強(qiáng)度的振動(dòng)[1]。為了克服上述限制，擴(kuò)大壓電發(fā)電裝置的應(yīng)用范圍，提高高強(qiáng)度、低頻率振動(dòng)能量的回收能力和振動(dòng)控制效果，提出了一種基于壓電流體耦合作用的新型壓電晶片式液壓發(fā)電裝置[12]，即通過(guò)流體與壓電體的耦合作用轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，以此來(lái)構(gòu)造一個(gè)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)、功率大以及性能可靠的發(fā)電裝置。本文闡述了壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的原理及結(jié)構(gòu)，并以單片雙晶圓形壓電陶瓷設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。1發(fā)電裝置的原理和結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的壓電振動(dòng)控制及發(fā)電裝置大多數(shù)是利用單體壓電振子直接與振動(dòng)主體相互作用，如疊堆型和懸臂梁型等壓電發(fā)電裝置，一般無(wú)法用于振動(dòng)強(qiáng)度大，沖擊大及頻率較低的場(chǎng)合。故提出一種將液壓傳動(dòng)技術(shù)和壓電發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)的發(fā)電裝置，圖1為壓電晶片式液壓發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理圖[1]。該裝置主要由激振器、液壓缸、平衡彈簧、蓄能器、壓力計(jì)、壓電換能器、截止閥和流體導(dǎo)管組成。工作時(shí)，首先將截止閥打開(kāi)，使各個(gè)流體腔流體壓力與蓄能器預(yù)置壓力相等，壓電陶瓷不發(fā)生變形，液壓缸在質(zhì)量塊、流體壓力和平衡彈簧的作用下處于平衡位置后，將截止閥關(guān)閉。當(dāng)合適的激勵(lì)頻率輸入時(shí)，液壓缸的活塞就會(huì)在質(zhì)量塊的作用下發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)，引起流體腔中壓力的大小變化，使得壓電陶瓷產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形，即液壓缸活塞與壓電陶瓷之間通過(guò)流體的作用傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。而且本裝置可擴(kuò)展利用多個(gè)壓電陶瓷一起發(fā)電，增加輸出功率，提高可靠性，擴(kuò)展應(yīng)用范圍[1]。

3試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)選擇的工作介質(zhì)為水，激振器激勵(lì)電壓為正弦信號(hào)，主要采用單因素法。單因素法所用的相對(duì)固定參數(shù)為：壓電陶瓷直徑60 mm，厚度1.6 mm（壓電晶片及基板厚度分別為0.6 mm和1.0 mm，自由電容Cf=0.042 μF）以及液壓缸直徑16 mm，高度50 mm等。實(shí)驗(yàn)主要研究了激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓等因素對(duì)壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的性能的影響。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，圖4（a）表明，在0.2 MPa背壓下，激勵(lì)頻率在27 Hz左右時(shí)壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的發(fā)電能力最強(qiáng)，而激勵(lì)頻率過(guò)高或者過(guò)低發(fā)電量都會(huì)大幅度減小，所以該裝置可以用于低頻振動(dòng)能量的吸收及發(fā)電。圖4（b）主要表明了背壓與輸出電壓之間的關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)背壓較低時(shí)，輸出電壓曲線(xiàn)相對(duì)不規(guī)則，而隨著系統(tǒng)背壓增加，輸出曲線(xiàn)相對(duì)更加光滑和有規(guī)律，且輸出電壓的增加非常明顯，如激勵(lì)頻率為27 Hz時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖4（d）所示。圖4（c）表明，在一定激勵(lì)頻率和背壓條件下，隨著加載質(zhì)量塊的增加發(fā)電能力也穩(wěn)定地增長(zhǎng)，所以在一定的范圍內(nèi)，提高加載質(zhì)量可以增大發(fā)電量。圖4（e）表明，輸出電壓隨著激勵(lì)電壓的增加而增加，且線(xiàn)性關(guān)系也較好。激勵(lì)電壓表征振動(dòng)的強(qiáng)度，即表明該裝置能夠吸收高強(qiáng)度的振動(dòng)能量。根據(jù)上述分析可得，該壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的發(fā)電性能和激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓有著密切的關(guān)系。

4結(jié)論本文提出一種基于壓電流體耦合作用的壓電晶片式液壓發(fā)電裝置，并設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，試驗(yàn)分析了其輸出電壓在不同激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓條件下的變化情況，表明壓電晶片式液壓發(fā)電裝置可以實(shí)現(xiàn)低頻率，高強(qiáng)度振動(dòng)的發(fā)電，但在后續(xù)控制電路、發(fā)電能效及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面還需要更多的努力與研究。論文驗(yàn)證了將壓電流體耦合作用用于振動(dòng)能量回收是可行的，拓寬了壓電發(fā)電的應(yīng)用范圍，如可利用汽輪發(fā)電機(jī)、汽車(chē)減震系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)進(jìn)行壓電發(fā)電。

參考文獻(xiàn)：

[1]李征，萬(wàn)杰，闞君武，等.基于流固耦合作用的壓電液壓振動(dòng)俘能器[J].光學(xué)精密工程，2012，20（5）：10021008.

[2]王淑云，闞君武，王鴻云，等.液壓流體吸振器用圓形壓電發(fā)電裝置的建模與性能分析[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31（16）：177182.

[3]袁江波，謝濤，單小彪，等.壓電俘能技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（10）：3642.

[4]何玉琳，章海軍，林曉峰.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微步進(jìn)機(jī)構(gòu)研制[J].光學(xué)儀器，2004，26（4）：2629.

[5]GLYNNEJONES P，TUDOR M J，BEEBY S P.An electromagnetic vibrationpowered generator for intelligent sensor systems[J].Sensors and Actuators A：Physical，2004，110（13）：344349.

[6]ANTON S R，SODANO H A.A review of power harvesting using piezoelectric materials（20032006）[J].Smart Materials and Structure，2007，16（3）：R1R21.

[7]張福學(xué)，王麗坤.現(xiàn)代壓電學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[8]NIEZRECKI C，SCHUELLER J K，BALASUBRAMANIAN K.Piezoelectricbased fluid bulk modulus sensor[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2004，15（12）：893899.

[9]鐵摩辛柯.S，諾沃斯基.S.板殼理論[M].《板殼理論》翻譯組，譯.北京：科學(xué)出版社，1977：5275.

[10]闞君武，徐海龍，王淑云，等.壓電液壓隔振器的能量回收特性分析與測(cè)試[J].納米技術(shù)與精密工程，2013，11（3）：196

摘要： 為實(shí)現(xiàn)低頻率，高強(qiáng)度的振動(dòng)能量回收和利用，提出一種基于壓電流體耦合作用的壓電晶片式液壓發(fā)電裝置。通過(guò)理論分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用直徑60 mm，厚度1.6 mm的壓電晶片以及直徑16 mm，高度50 mm的液壓缸制作樣機(jī)，用水作為工作介質(zhì)，測(cè)試了裝置在不同激勵(lì)頻率、激勵(lì)電壓、系統(tǒng)背壓及加載質(zhì)量等條件下的電壓輸出情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)激勵(lì)頻率（工作頻率）在27 Hz左右時(shí)，該壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的輸出電壓達(dá)到最大，且在一定的范圍內(nèi)，發(fā)電裝置輸出電壓隨著激勵(lì)電壓、系統(tǒng)背壓及加載質(zhì)量的增加而增加，驗(yàn)證了液壓壓電發(fā)電的可行性。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)； 壓電陶瓷； 液壓壓電； 發(fā)電裝置

中圖分類(lèi)號(hào)： TM 619文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.016

引言隨著各種微電子產(chǎn)品迅速發(fā)展及遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)技術(shù)的快速興起，對(duì)器件的自供電技術(shù)提出了更高的要求，如今研制一種穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)易的并且無(wú)污染的微型發(fā)電裝置已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[14]。目前應(yīng)用中主要有電磁發(fā)電裝置、靜電發(fā)電裝置以及壓電發(fā)電裝置等[56]，其中基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)[7]而發(fā)展的壓電發(fā)電裝置，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、易于制作及無(wú)污染等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、生物工程和光學(xué)工程等領(lǐng)域[34]。但是由于壓電陶瓷本身較脆易碎，在變形過(guò)大或受力過(guò)大時(shí)都將導(dǎo)致永久性失效，使得壓電陶瓷應(yīng)用受限。目前沒(méi)有好的方法能直接吸收利用汽輪發(fā)電機(jī)、汽車(chē)減震系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的高強(qiáng)度的振動(dòng)[1]。為了克服上述限制，擴(kuò)大壓電發(fā)電裝置的應(yīng)用范圍，提高高強(qiáng)度、低頻率振動(dòng)能量的回收能力和振動(dòng)控制效果，提出了一種基于壓電流體耦合作用的新型壓電晶片式液壓發(fā)電裝置[12]，即通過(guò)流體與壓電體的耦合作用轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，以此來(lái)構(gòu)造一個(gè)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)、功率大以及性能可靠的發(fā)電裝置。本文闡述了壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的原理及結(jié)構(gòu)，并以單片雙晶圓形壓電陶瓷設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。1發(fā)電裝置的原理和結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的壓電振動(dòng)控制及發(fā)電裝置大多數(shù)是利用單體壓電振子直接與振動(dòng)主體相互作用，如疊堆型和懸臂梁型等壓電發(fā)電裝置，一般無(wú)法用于振動(dòng)強(qiáng)度大，沖擊大及頻率較低的場(chǎng)合。故提出一種將液壓傳動(dòng)技術(shù)和壓電發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)的發(fā)電裝置，圖1為壓電晶片式液壓發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理圖[1]。該裝置主要由激振器、液壓缸、平衡彈簧、蓄能器、壓力計(jì)、壓電換能器、截止閥和流體導(dǎo)管組成。工作時(shí)，首先將截止閥打開(kāi)，使各個(gè)流體腔流體壓力與蓄能器預(yù)置壓力相等，壓電陶瓷不發(fā)生變形，液壓缸在質(zhì)量塊、流體壓力和平衡彈簧的作用下處于平衡位置后，將截止閥關(guān)閉。當(dāng)合適的激勵(lì)頻率輸入時(shí)，液壓缸的活塞就會(huì)在質(zhì)量塊的作用下發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)，引起流體腔中壓力的大小變化，使得壓電陶瓷產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形，即液壓缸活塞與壓電陶瓷之間通過(guò)流體的作用傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。而且本裝置可擴(kuò)展利用多個(gè)壓電陶瓷一起發(fā)電，增加輸出功率，提高可靠性，擴(kuò)展應(yīng)用范圍[1]。

3試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)選擇的工作介質(zhì)為水，激振器激勵(lì)電壓為正弦信號(hào)，主要采用單因素法。單因素法所用的相對(duì)固定參數(shù)為：壓電陶瓷直徑60 mm，厚度1.6 mm（壓電晶片及基板厚度分別為0.6 mm和1.0 mm，自由電容Cf=0.042 μF）以及液壓缸直徑16 mm，高度50 mm等。實(shí)驗(yàn)主要研究了激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓等因素對(duì)壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的性能的影響。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，圖4（a）表明，在0.2 MPa背壓下，激勵(lì)頻率在27 Hz左右時(shí)壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的發(fā)電能力最強(qiáng)，而激勵(lì)頻率過(guò)高或者過(guò)低發(fā)電量都會(huì)大幅度減小，所以該裝置可以用于低頻振動(dòng)能量的吸收及發(fā)電。圖4（b）主要表明了背壓與輸出電壓之間的關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)背壓較低時(shí)，輸出電壓曲線(xiàn)相對(duì)不規(guī)則，而隨著系統(tǒng)背壓增加，輸出曲線(xiàn)相對(duì)更加光滑和有規(guī)律，且輸出電壓的增加非常明顯，如激勵(lì)頻率為27 Hz時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖4（d）所示。圖4（c）表明，在一定激勵(lì)頻率和背壓條件下，隨著加載質(zhì)量塊的增加發(fā)電能力也穩(wěn)定地增長(zhǎng)，所以在一定的范圍內(nèi)，提高加載質(zhì)量可以增大發(fā)電量。圖4（e）表明，輸出電壓隨著激勵(lì)電壓的增加而增加，且線(xiàn)性關(guān)系也較好。激勵(lì)電壓表征振動(dòng)的強(qiáng)度，即表明該裝置能夠吸收高強(qiáng)度的振動(dòng)能量。根據(jù)上述分析可得，該壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的發(fā)電性能和激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓有著密切的關(guān)系。

4結(jié)論本文提出一種基于壓電流體耦合作用的壓電晶片式液壓發(fā)電裝置，并設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，試驗(yàn)分析了其輸出電壓在不同激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓條件下的變化情況，表明壓電晶片式液壓發(fā)電裝置可以實(shí)現(xiàn)低頻率，高強(qiáng)度振動(dòng)的發(fā)電，但在后續(xù)控制電路、發(fā)電能效及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面還需要更多的努力與研究。論文驗(yàn)證了將壓電流體耦合作用用于振動(dòng)能量回收是可行的，拓寬了壓電發(fā)電的應(yīng)用范圍，如可利用汽輪發(fā)電機(jī)、汽車(chē)減震系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)進(jìn)行壓電發(fā)電。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王淑云，闞君武，王鴻云，等.液壓流體吸振器用圓形壓電發(fā)電裝置的建模與性能分析[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31（16）：177182.

[3]袁江波，謝濤，單小彪，等.壓電俘能技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（10）：3642.

[4]何玉琳，章海軍，林曉峰.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微步進(jìn)機(jī)構(gòu)研制[J].光學(xué)儀器，2004，26（4）：2629.

[5]GLYNNEJONES P，TUDOR M J，BEEBY S P.An electromagnetic vibrationpowered generator for intelligent sensor systems[J].Sensors and Actuators A：Physical，2004，110（13）：344349.

[6]ANTON S R，SODANO H A.A review of power harvesting using piezoelectric materials（20032006）[J].Smart Materials and Structure，2007，16（3）：R1R21.

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[8]NIEZRECKI C，SCHUELLER J K，BALASUBRAMANIAN K.Piezoelectricbased fluid bulk modulus sensor[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2004，15（12）：893899.

[9]鐵摩辛柯.S，諾沃斯基.S.板殼理論[M].《板殼理論》翻譯組，譯.北京：科學(xué)出版社，1977：5275.

[10]闞君武，徐海龍，王淑云，等.壓電液壓隔振器的能量回收特性分析與測(cè)試[J].納米技術(shù)與精密工程，2013，11（3）：196

摘要： 為實(shí)現(xiàn)低頻率，高強(qiáng)度的振動(dòng)能量回收和利用，提出一種基于壓電流體耦合作用的壓電晶片式液壓發(fā)電裝置。通過(guò)理論分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用直徑60 mm，厚度1.6 mm的壓電晶片以及直徑16 mm，高度50 mm的液壓缸制作樣機(jī)，用水作為工作介質(zhì)，測(cè)試了裝置在不同激勵(lì)頻率、激勵(lì)電壓、系統(tǒng)背壓及加載質(zhì)量等條件下的電壓輸出情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)激勵(lì)頻率（工作頻率）在27 Hz左右時(shí)，該壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的輸出電壓達(dá)到最大，且在一定的范圍內(nèi)，發(fā)電裝置輸出電壓隨著激勵(lì)電壓、系統(tǒng)背壓及加載質(zhì)量的增加而增加，驗(yàn)證了液壓壓電發(fā)電的可行性。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)； 壓電陶瓷； 液壓壓電； 發(fā)電裝置

中圖分類(lèi)號(hào)： TM 619文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.016

引言隨著各種微電子產(chǎn)品迅速發(fā)展及遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)技術(shù)的快速興起，對(duì)器件的自供電技術(shù)提出了更高的要求，如今研制一種穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)易的并且無(wú)污染的微型發(fā)電裝置已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[14]。目前應(yīng)用中主要有電磁發(fā)電裝置、靜電發(fā)電裝置以及壓電發(fā)電裝置等[56]，其中基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)[7]而發(fā)展的壓電發(fā)電裝置，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、易于制作及無(wú)污染等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、生物工程和光學(xué)工程等領(lǐng)域[34]。但是由于壓電陶瓷本身較脆易碎，在變形過(guò)大或受力過(guò)大時(shí)都將導(dǎo)致永久性失效，使得壓電陶瓷應(yīng)用受限。目前沒(méi)有好的方法能直接吸收利用汽輪發(fā)電機(jī)、汽車(chē)減震系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的高強(qiáng)度的振動(dòng)[1]。為了克服上述限制，擴(kuò)大壓電發(fā)電裝置的應(yīng)用范圍，提高高強(qiáng)度、低頻率振動(dòng)能量的回收能力和振動(dòng)控制效果，提出了一種基于壓電流體耦合作用的新型壓電晶片式液壓發(fā)電裝置[12]，即通過(guò)流體與壓電體的耦合作用轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，以此來(lái)構(gòu)造一個(gè)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)、功率大以及性能可靠的發(fā)電裝置。本文闡述了壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的原理及結(jié)構(gòu)，并以單片雙晶圓形壓電陶瓷設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。1發(fā)電裝置的原理和結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的壓電振動(dòng)控制及發(fā)電裝置大多數(shù)是利用單體壓電振子直接與振動(dòng)主體相互作用，如疊堆型和懸臂梁型等壓電發(fā)電裝置，一般無(wú)法用于振動(dòng)強(qiáng)度大，沖擊大及頻率較低的場(chǎng)合。故提出一種將液壓傳動(dòng)技術(shù)和壓電發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)的發(fā)電裝置，圖1為壓電晶片式液壓發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理圖[1]。該裝置主要由激振器、液壓缸、平衡彈簧、蓄能器、壓力計(jì)、壓電換能器、截止閥和流體導(dǎo)管組成。工作時(shí)，首先將截止閥打開(kāi)，使各個(gè)流體腔流體壓力與蓄能器預(yù)置壓力相等，壓電陶瓷不發(fā)生變形，液壓缸在質(zhì)量塊、流體壓力和平衡彈簧的作用下處于平衡位置后，將截止閥關(guān)閉。當(dāng)合適的激勵(lì)頻率輸入時(shí)，液壓缸的活塞就會(huì)在質(zhì)量塊的作用下發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)，引起流體腔中壓力的大小變化，使得壓電陶瓷產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形，即液壓缸活塞與壓電陶瓷之間通過(guò)流體的作用傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。而且本裝置可擴(kuò)展利用多個(gè)壓電陶瓷一起發(fā)電，增加輸出功率，提高可靠性，擴(kuò)展應(yīng)用范圍[1]。

3試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)選擇的工作介質(zhì)為水，激振器激勵(lì)電壓為正弦信號(hào)，主要采用單因素法。單因素法所用的相對(duì)固定參數(shù)為：壓電陶瓷直徑60 mm，厚度1.6 mm（壓電晶片及基板厚度分別為0.6 mm和1.0 mm，自由電容Cf=0.042 μF）以及液壓缸直徑16 mm，高度50 mm等。實(shí)驗(yàn)主要研究了激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓等因素對(duì)壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的性能的影響。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，圖4（a）表明，在0.2 MPa背壓下，激勵(lì)頻率在27 Hz左右時(shí)壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的發(fā)電能力最強(qiáng)，而激勵(lì)頻率過(guò)高或者過(guò)低發(fā)電量都會(huì)大幅度減小，所以該裝置可以用于低頻振動(dòng)能量的吸收及發(fā)電。圖4（b）主要表明了背壓與輸出電壓之間的關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)背壓較低時(shí)，輸出電壓曲線(xiàn)相對(duì)不規(guī)則，而隨著系統(tǒng)背壓增加，輸出曲線(xiàn)相對(duì)更加光滑和有規(guī)律，且輸出電壓的增加非常明顯，如激勵(lì)頻率為27 Hz時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖4（d）所示。圖4（c）表明，在一定激勵(lì)頻率和背壓條件下，隨著加載質(zhì)量塊的增加發(fā)電能力也穩(wěn)定地增長(zhǎng)，所以在一定的范圍內(nèi)，提高加載質(zhì)量可以增大發(fā)電量。圖4（e）表明，輸出電壓隨著激勵(lì)電壓的增加而增加，且線(xiàn)性關(guān)系也較好。激勵(lì)電壓表征振動(dòng)的強(qiáng)度，即表明該裝置能夠吸收高強(qiáng)度的振動(dòng)能量。根據(jù)上述分析可得，該壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的發(fā)電性能和激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓有著密切的關(guān)系。

4結(jié)論本文提出一種基于壓電流體耦合作用的壓電晶片式液壓發(fā)電裝置，并設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，試驗(yàn)分析了其輸出電壓在不同激勵(lì)頻率、加載質(zhì)量、激勵(lì)電壓及系統(tǒng)背壓條件下的變化情況，表明壓電晶片式液壓發(fā)電裝置可以實(shí)現(xiàn)低頻率，高強(qiáng)度振動(dòng)的發(fā)電，但在后續(xù)控制電路、發(fā)電能效及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面還需要更多的努力與研究。論文驗(yàn)證了將壓電流體耦合作用用于振動(dòng)能量回收是可行的，拓寬了壓電發(fā)電的應(yīng)用范圍，如可利用汽輪發(fā)電機(jī)、汽車(chē)減震系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)進(jìn)行壓電發(fā)電。

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