白 泉,魏克湘,錢學(xué)朋,程玉蘭

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.保定市諾博橡膠制品有限公司，保定071000)

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圓柱形壓電能量采集裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

白 泉1,魏克湘1,錢學(xué)朋2,程玉蘭1

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.保定市諾博橡膠制品有限公司，保定071000)

基于壓電材料的能量采集裝置具有響應(yīng)速度快、電控性能好、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn).設(shè)計(jì)了一種圓柱形壓電振子，工作模式為d33型的壓電能量采集裝置，并對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行了發(fā)電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示隨著頻率和振幅的增加，電壓幅值也增加.

圓柱形壓電陶瓷；d33；能量采集裝置

0 引 言

一直以來(lái)大家都很關(guān)注能源危機(jī)，關(guān)于綠色能源的發(fā)展理念之一就是能將分布在環(huán)境中的能量回收利用.而壓電材料因具有壓電效應(yīng)能對(duì)能量進(jìn)行采集和振動(dòng)控制成為了研究的熱點(diǎn)[1].這種壓電式能量采集裝置優(yōu)點(diǎn)很多，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、功率密度大以及易于微型化和集成化.

基于壓電材料的能量采集裝置具有多種結(jié)構(gòu)形式，如懸臂梁型、Cymbal 型[2-3]、疊堆型[4]、殼型[5]等.其中懸臂梁型因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、固有頻率較低以及可承受較大變形等優(yōu)點(diǎn)受到了眾多學(xué)者的關(guān)注.Flynn 和Sander[6]將基礎(chǔ)限制施加于壓電陶瓷材料，研究表明機(jī)械應(yīng)力限制是典型壓電材料的有效約束.對(duì)于PZT-5H陶瓷材料，在100Hz頻率下機(jī)械應(yīng)力限制的工作周期是330W/cm3.Baker[7]和Roundy[8]兩位學(xué)者在兩種不同的工作模式下的俘能裝置展開了對(duì)比性的實(shí)驗(yàn)，分析的結(jié)果是d33的壓電疊堆結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的振動(dòng)性能和耦合系數(shù)比d31壓電懸臂結(jié)構(gòu)的更高，但d31模式產(chǎn)生的能量比d33模式的多了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)它的諧振頻率更低，更容易俘獲能量.吉林大學(xué)程光明等，設(shè)計(jì)并制作了一套壓電陶瓷發(fā)電能力的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)壓電陶瓷的發(fā)電性能進(jìn)行了測(cè)試與研究，在104Hz的激振頻率下，最大輸出電壓為2.8 V[9].Liu J Q和Fang H B[10]等提出了基于厚膜的壓電懸臂梁功率發(fā)電機(jī)可提高頻率范圍和功率輸出.Choi W J和Jeon Y[11]等利用薄膜PZT開發(fā)了一種能量采集的MEMS裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)質(zhì)量塊的質(zhì)量、梁的形狀可在低頻率振動(dòng)環(huán)境中獲取最大功率，可用于傳感器的自供能.

盡管圓柱型壓電陶瓷固有頻率較高，但其d33振動(dòng)模式的壓電能量采集裝置的比懸臂梁型d31模式具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)，其產(chǎn)生的電壓可達(dá)到幾千伏，適合應(yīng)用于高電壓微功率器件.本文完成了d33式圓柱型壓電能量采集裝置的設(shè)計(jì)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了發(fā)電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 圓柱形壓電采集裝置設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

圓柱型壓電陶瓷為d33工作模式，其產(chǎn)生的最大電壓方程為[12]

(1)

式中ε為介電常數(shù)，F(xiàn)為極化方向上的力，d為壓電常數(shù)，本文是d33，D、H分別表示壓電材料的直徑、高.

由上述的方程可知，最大電壓與與圓柱壓電陶瓷高度成反比，橫截面積成反比，也就是說(shuō)直徑小、高度高，產(chǎn)生的電壓也就大，但由于考慮到力學(xué)性能的要求和生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)，決定選用高度為H=15mm、直徑為φ=5mm的 PZT-5H 圓柱狀壓電陶瓷，實(shí)物如圖1所示.表1為所選壓電材料的一些性能參數(shù).

圖1 壓電陶瓷實(shí)物圖

表1 性能參數(shù)

1.2 能量收集裝置設(shè)計(jì)與制作

考慮到圓柱壓電陶瓷受到振動(dòng)力的方式為d33模式，必須將其固定好，輸出的電壓穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了一個(gè)壓電能量采集裝置來(lái)收集振動(dòng)能量，其三維圖及實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示.

圖2 三維圖

圖3 俘能裝置實(shí)物圖

采集裝置使用的材料是聚丙烯樹脂塑料，它具有綠色無(wú)污染，力學(xué)性能強(qiáng)度和硬度高，且抗彎曲疲勞強(qiáng)度較高，高頻絕緣性良好等優(yōu)點(diǎn).將壓電陶瓷(PZT-5H)用導(dǎo)電膠豎立著粘貼在下導(dǎo)電條上，然后將下導(dǎo)電條用上下壓板壓住，壓電陶瓷從上壓板5mm的中心通孔穿出.在使用螺釘將上導(dǎo)電條固定到上壓板，使其與壓電陶瓷上表面平行貼緊，導(dǎo)電條采用硬質(zhì)鐵片，至此完成了圓柱形壓電能量采集裝置制作.此夾具既能完全固定好壓電陶瓷，保證壓電陶瓷上下表面受力均勻，又能很好的導(dǎo)出電壓.

2 壓電陶瓷材料的仿真分析

本文采用 solid5單元，自由網(wǎng)格劃分，采用一端固定的方式施加載荷約束，如圖4所示，利用 ANSYS 對(duì)圓柱形壓電陶瓷材料進(jìn)行有限元分析.本次主要分析圓柱型壓電陶瓷結(jié)構(gòu)參數(shù)和施加力、電壓幅值等之間的關(guān)系，直徑尺寸參數(shù)取φ3、φ5、φ7和φ9(單位：mm)，高度取10、12、15和17(單位：mm)和在不同施加力2N、10N、35N、50N、100N的作用下所產(chǎn)生的電壓分布，如圖5所示.

圖4 自由網(wǎng)格模型和施加載荷約束模型

圖5 直徑不同的電壓分布圖

表2 H=15mm，不同載荷F、直徑φ的電壓幅值V

通過(guò)圖5和表2可以看出，當(dāng)高度不變的情況下，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓幅值與直徑成反比，與外載荷成正比的關(guān)系，即保持施加力和高度不變，直徑越小，產(chǎn)生的電壓值也就越大.為了進(jìn)一步確定壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)參數(shù)與電壓幅值的關(guān)系，保持施加力50N不變，對(duì)直徑和高度尺寸進(jìn)行調(diào)整，繼續(xù)進(jìn)行ANSYS分析.

圖6 φ=3mm、F=50N，H不同的電壓分布圖

表3 載荷F=50N，不同直徑φ、高度H的電壓幅值V

在圖6和表3中可以看出，在保持外載荷F=50N不變的情況下，壓電所產(chǎn)生的電壓幅值與直徑成反比，高度H成正比；同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外載荷和直徑都不變時(shí)，電壓隨著高度的增加而增加.通過(guò)仿真分析的結(jié)果顯示與理論計(jì)算分析的結(jié)果是一致的.

3 壓電陶瓷的發(fā)電實(shí)驗(yàn)

結(jié)合有限仿真分析和廠家生產(chǎn)的壓電陶瓷技術(shù)參數(shù)的原因，實(shí)驗(yàn)選取了壓電陶瓷PZT-5H的尺寸為φ*H=5mm*15mm，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)源為DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀產(chǎn)生，傳入到GF-20功率放大器將信號(hào)放大，激振器JZ-2A對(duì)壓電裝置產(chǎn)生激勵(lì)，發(fā)生形變而出現(xiàn)壓電效應(yīng)，電壓產(chǎn)生，通過(guò)串聯(lián)外接電阻再將信號(hào)傳入到信號(hào)接收裝置DH5922.圖7為壓電實(shí)驗(yàn)研究原理圖和實(shí)物圖.

圖7 壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)物圖

由于壓電工作模式為d33，考慮到安全因素以及壓電陶瓷的大電阻等，選擇外接電阻為220kΩ，激勵(lì)信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù)Asinωt，振幅A取500mV、1000mV、2000mV；振動(dòng)頻率ω分別取15Hz、30Hz、50Hz、100Hz、200Hz、400Hz等，選取采樣頻率為20ω.

圖8為在激勵(lì)信號(hào)振幅A=500mV保持不變，振動(dòng)頻率取不同值得時(shí)的電壓曲線圖.從圖中可以看出當(dāng)ω=15Hz，Umax=0.2V；ω=30Hz，Umax=0.4V；ω=50Hz，Umax=0.8 V；ω=100Hz，Umax=1.5V；ω=400Hz，Umax=6 V；這些結(jié)果顯示，當(dāng)振動(dòng)頻率低的時(shí)候，隨著頻率成倍數(shù)關(guān)系遞增，電壓幅值也是成倍數(shù)關(guān)系遞增；當(dāng)隨著振動(dòng)頻率變高，特別是到了400Hz以后，電壓幅值就幾乎是成指函數(shù)的增加形式.可以推測(cè)激勵(lì)振幅不變時(shí)，其最大電壓與頻率成正相關(guān).

圖9和圖10分別為在振幅A=1000mV、A=2000mV和不同頻率值之間的電壓曲線圖.從圖中可以看出，當(dāng)振動(dòng)幅值為定值時(shí)，電壓幅值隨著頻率ω的增加而增加；當(dāng)振動(dòng)頻率為定值時(shí)，處于振幅A=1000mV下的電壓幅值比處于振幅A=2000mV下的電壓幅值要小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了圓柱型壓電陶瓷的電壓幅值與其激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率在一定范圍內(nèi)成正相關(guān).

圖8 電壓曲線圖

圖9和圖10分別為在振幅A=1000mV、A=2000mV和不同頻率值之間的電壓曲線圖.從圖中可以看出，當(dāng)振動(dòng)幅值為定值時(shí)，電壓幅值隨著頻率ω的增加而增加；當(dāng)振動(dòng)頻率為定值時(shí)，處于振幅A=1000mV下的電壓幅值比處于振幅A=2000mV下的電壓幅值要小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了圓柱型壓電陶瓷的電壓幅值與其激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率在一定范圍內(nèi)成正相關(guān).

圖9 振幅A=1000mV，電壓峰值曲線

圖10 振幅A=2000mV，電壓峰值曲線

4 總結(jié)

本文通過(guò)選取合適的壓電陶瓷材料，設(shè)計(jì)了工作模式為d33圓柱型壓電陶瓷的壓電能量采集裝置，并對(duì)壓電陶瓷的發(fā)電性能進(jìn)行了有限元分析，分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)(如：高度和直徑)在不同條件下(如：外加載荷和振動(dòng)信號(hào))產(chǎn)生的電壓幅值大小，并為壓電能量采集裝置搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了發(fā)電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明，電壓幅值會(huì)隨著頻率和增幅的增加而增加，與仿真分析的結(jié)果相吻合.

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Design and Experiment Study on Energy Harvester of Circular Piezoelectric Vibrator

BAI Quan1，WEIke-xiang1，QIAN Xue-peng2，CHENG Yu-lan1

(1.College ofmechanical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China;2.Baoding Nuobo Rubber Production Co.Ltd,Baoding071000,China)

The Energy harvester is a energy collection device based on piezoelectricmaterial with a fast response,the good control performance,no electromagnetic interference and other advantages.The energy harvester with thed33workingmode for circular piezoelectric vibrator is designed and finite element simulation analysis is done by using the ANSYS.An experimental test bed is built to verify the power generation of the piezoelectricmaterial.The result shows that the voltage amplititude of the energy harvester is enhanced with the increase of the frequency and amplititude.

circular piezoelectric vibrator;d33; energy harvester

2015-12-08基金項(xiàng)目：湖南工程學(xué)院青年科研資助項(xiàng)目(XJ1503);湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(13C177);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11172100);湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JJ6022).作者簡(jiǎn)介：白 泉(1981-)，女，碩士，講師,研究方向：智能材料與結(jié)構(gòu)、振動(dòng)力學(xué).

TP391.41

A

1671-119X(2016)02-0019-05