田曉超，李慶華，賀春山

(長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

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多晶片壓電懸臂梁發(fā)電裝置實驗研究

田曉超，李慶華，賀春山

(長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

為了實現(xiàn)壓電晶片寬頻發(fā)電而提高發(fā)電量，設(shè)計了一種多晶片壓電發(fā)電裝置，采用4塊壓電晶片極化方向相同并聯(lián)方式，通過ANSYS仿真分析與實驗相結(jié)合的方法，得出不同位置壓電發(fā)電狀況，對配重塊的質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化，對優(yōu)化后的發(fā)電懸臂梁進(jìn)行了測試，得出振動頻率為35Hz時輸出最大電壓為7.1V，壓電晶片的發(fā)電能力得到了很大程度上的提高。

多晶片壓電振子；懸臂梁；發(fā)電裝置

0 引言

壓電材料利用本身的特性將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并把這些能量通過特定方式收集后作為新能源使用。該技術(shù)具有自適應(yīng)性強、環(huán)保性能好，結(jié)構(gòu)簡單的特點，越來越受到廣大科研工作者的關(guān)注，并在此領(lǐng)域取得了一定的成果[1-4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于壓電發(fā)電供能技術(shù)的研究應(yīng)用在多個方面：納米壓電發(fā)電機(jī)可以植入人體作為供能源，它收集人自身(如呼吸時肺的跳動、心跳、肌肉收縮和伸張、血液流動等)產(chǎn)生的機(jī)械能，通過納米壓電發(fā)電材料轉(zhuǎn)換為電能；安置于路面下的壓電發(fā)電轉(zhuǎn)換器件會收集車輛行駛和路人行走時的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能，這些電能經(jīng)過整流調(diào)整、收集、存儲后可為路燈照明供能等[5-6]；流體流動由于流量和流速的變化會出現(xiàn)漩渦現(xiàn)象，從而產(chǎn)生壓力差，促動壓電片彎曲變形產(chǎn)生電能[7]；壓電陶瓷打火機(jī)，兩個壓電陶瓷叩擊機(jī)構(gòu)撞擊這一極，另一極可以瞬間產(chǎn)生較高的電壓，點火針會釋放電火花[8]。

本文設(shè)計一種多晶片壓電懸臂梁發(fā)電裝置，實現(xiàn)寬頻段產(chǎn)生電能、提高發(fā)電效率，把不同位置的壓電晶片作為一個個體獨立出來，然后通過一定的電路連接方式連接在一起，從而實現(xiàn)寬頻發(fā)電。該裝置可應(yīng)用在狹窄空間自適應(yīng)供電。

1 多晶片壓電懸臂梁模型

有效工作頻率的帶寬窄限制了能量收集，傳統(tǒng)單晶片和雙晶片電懸臂梁結(jié)構(gòu)確定以后，其諧振頻率為定值，輸入的激勵頻率會隨外界環(huán)境而發(fā)生變化，外界激勵頻率與諧振頻率的差別越大，輸出電能越低。為了改善這一缺陷，提高發(fā)電量，在外界激勵頻率變化范圍較大且變化較頻繁的情況下，本結(jié)構(gòu)可以從多個輸入激勵頻率段收集電能，這樣可以實現(xiàn)拓寬壓電振子的工作頻率，使其能更好地在共振區(qū)工作，實現(xiàn)寬頻發(fā)電，提高發(fā)電效率。其結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示，主要包括壓電陶瓷晶片、金屬基板、配重塊與固定孔。

圖1 多晶片壓電懸臂梁的模型圖

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 晶片連接方式

由于每個壓電陶瓷晶片在懸臂梁上的位置不同，因此振動時晶片彎曲曲率不同，在晶片上面產(chǎn)生的電荷不均勻，而且陶瓷晶片彎曲方向不同，其表面產(chǎn)生的電荷極性相反，不能直接統(tǒng)一收集，否則會造成電荷的流失。電極連接方式不同，電荷的收集能力會存在很大差異，本文采用4個極化方向相同情況下的并聯(lián)方式，如圖2所示。

圖2 多晶片連接方式

2.2 晶片不同位置發(fā)電情況

對基板上不同位置的不加質(zhì)量塊的壓電陶瓷晶片用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析，仿真模態(tài)結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓電懸臂梁仿真模態(tài)圖

由仿真分析可以看出，多晶片壓電懸臂梁越靠近固定端部，壓電晶片的應(yīng)力應(yīng)變越大。由于壓電晶片發(fā)電能力與應(yīng)力應(yīng)變成正比，所以在外界激勵作用下，壓電晶片靠近固定端處產(chǎn)生的應(yīng)力和彎曲變形最大，因此越靠近固定端的壓電陶瓷晶片發(fā)電能力越強。

把多晶片壓電懸臂梁安裝在激振器上施加外力，分別測量每片壓電陶瓷晶片的發(fā)電量，使多晶片壓電振子達(dá)的共振狀態(tài)，分別對4片壓電陶瓷晶片進(jìn)行發(fā)電能力試驗，從靠近固定端部陶瓷晶片開始標(biāo)記為第1片壓電陶瓷、第2片壓電陶瓷、第3片壓電陶瓷、第4片壓電陶瓷。壓電振子標(biāo)記如圖4所示。

圖4 壓電懸臂梁的標(biāo)記

用萬用表交流電壓測量檔對每片壓電陶瓷晶片輸出電壓測量得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同位置壓電晶片的發(fā)電能力

通過試驗對比可知，多晶片壓電懸臂梁越靠近固定端的壓電陶瓷晶片發(fā)電能力越強，因為在多晶片壓電振子產(chǎn)生一定的變形后，越靠近固定端，曲率越大，彎曲越強烈，根據(jù)壓電效應(yīng)可知，機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換效率越高，產(chǎn)生的電荷越多，與ANSYS仿真理論分析相符。

2.3 質(zhì)量塊對壓電懸臂梁特性的影響

在壓電懸臂梁的自由端增加配重塊后，能使壓電振子發(fā)電能力更強，更好地在低頻段工作，提高使用壽命，安裝不同質(zhì)量的配重塊能更容易地實現(xiàn)寬頻發(fā)電。分別選用規(guī)格為0g、4g、5g、6g、7g、8g六種金屬配重塊。利用HEAS-5功率放大器控制激振器提供外激勵，示波器顯示瞬態(tài)電壓波形和共振頻率，對不添加質(zhì)量塊和添加不同質(zhì)量塊情況下分別測量單個多晶片壓電振子的瞬態(tài)響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 同質(zhì)量塊的輸出電壓與共振頻率

從以上輸出波形可知，壓電振子自由端添加的質(zhì)量塊的質(zhì)量越大，多晶片壓電振子的諧振頻率越小，在外界激勵頻率較小的情況下就能很容易達(dá)到共振狀態(tài)，此時具有較強的發(fā)電能力。

3 發(fā)電實驗

3.1 實驗設(shè)備

試驗臺如圖6所示，用到的儀器有：激振器、DS 5042M示波器、HEAS-5功率放大器、萬用表。

圖6 實驗測試實物圖

圖7 多晶片壓電振子的尺寸參數(shù)

壓電陶瓷晶片尺寸和數(shù)目的選擇尤為重要，一定范圍內(nèi)壓電陶瓷的面積越大發(fā)電能力越強，本文采用尺寸為71mm×20mm×0.3mm的鈹青銅作為基板，壓電陶瓷晶片的尺寸為58mm×20mm×0.25mm，由于壓電陶瓷晶片面積有限，我們可以考慮把陶瓷晶片平均分割4塊，每個晶片陶瓷間距為0.8mm，如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)測試

測試不同激勵頻率情況下多晶片壓電發(fā)電裝置在60分鐘內(nèi)的發(fā)電效果曲線，測試頻率段為5Hz-40Hz,測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同頻率下壓電發(fā)電裝置充電曲線

由曲線圖可知，外界激勵頻率在5Hz、10Hz、15Hz的情況下，壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能偏弱，當(dāng)外界激勵頻率達(dá)到35Hz時，壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能達(dá)到更佳狀態(tài)，電壓達(dá)到了7.1V，在此狀態(tài)下工作的多晶片壓電振子每秒鐘振動的次數(shù)多且振幅也較大，說明該裝置處在共振狀態(tài)。而當(dāng)外界激勵頻率達(dá)到40Hz時，壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力下降，原因是此時多晶片壓電振子的振動頻率較高，但振幅較小，振子的變形量也較小，遠(yuǎn)離了共振區(qū)間。因此，由分析可知在選擇壓電發(fā)電裝置的工作激勵頻率時，要盡可能的使壓電振子工作在共振狀態(tài)下工作。該實驗同時也說明了壓電發(fā)電懸臂梁的頻寬得到了增加。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種四晶片壓電發(fā)電懸臂梁裝置，該裝置靠近固定端的晶片發(fā)電能力最大，在合理的范圍內(nèi)質(zhì)量塊越大諧振頻率越低，發(fā)電效果越好。該發(fā)電裝置在60分鐘諧振頻率35Hz時發(fā)電能力達(dá)到7.1V，提高了發(fā)電能力的同時也拓寬了發(fā)電頻寬。

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責(zé)任編輯：程艷艷

Experimental Study on Multi-chip Piezoelectric Cantilever Generation Device

TIAN Xiaochao，LI Qinghua，HE Chunshan

(College of Machinery and Vehicle Engineering， Changchun University, Changchun 130022, China)

In order to realize the aim of improving generated energy by wide-frequency generation of piezoelectric substrate, this paper designs a multi-wafer piezoelectric generator, which uses a parallel mode of four piezoelectric substrates with the same polarization direction, gets piezoelectric generating status at different positions through combining ANSYS simulation analysis with experiments, and then obtains that the maximum output voltage is 7.1V when the vibration frequency is 35Hz after optimizing the quality of counterweights and testing the optimized generating cantilever, which indicates that the generating capacity of piezoelectric substrate has been improved largely.

multi-chip piezoelectric vibrator; cantilever; power generation device

2016-08-20

國家自然科學(xué)基金項目(51277088)；長春大學(xué)國家級科研項目培育項目(2016JBC01L02)

田曉超(1986-)，男，黑龍江肇東人，講師，博士，主要從事壓電驅(qū)動與控制技術(shù)方面的研究。

TM619

A

1009-3907(2016)10-0039-05