（西安工程大學(xué)，陜西西安市，710048）張振聲 趙婧如 阮警漳 延浩銘

1 設(shè)計(jì)框架

壓電效應(yīng)地板是利用彈性材料的正壓電效應(yīng)，收集人體的振動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能的一種電氣設(shè)備。目前，在壓電發(fā)電領(lǐng)域，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的水平，壓電發(fā)電原型在實(shí)驗(yàn)室中也達(dá)到了一個(gè)較高的水平。要使實(shí)驗(yàn)室的成熟產(chǎn)品向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，建立系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造理論[1]。地板由基本單元壓電片構(gòu)成,采用壓電片之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)形成壓電堆,壓電堆之間采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)將采集到的電能匯總經(jīng)過(guò)整流器整流后用濾波器處理后儲(chǔ)存進(jìn)入鋰電池,用定時(shí)開(kāi)關(guān)進(jìn)行電能的收放。地板與地板之間采用并聯(lián)模式提高功率,將所有采集到的電能匯總進(jìn)入儲(chǔ)能電池板[2]。

2 產(chǎn)品原理與結(jié)構(gòu)

2.1 核心部件工作原理

基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，利用夾層錐形壓電驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)壓電陶瓷施加兩個(gè)相位差為90°的高頻激勵(lì)信號(hào)，壓電振子在錐面上產(chǎn)生行波，轉(zhuǎn)子在錐面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由摩擦驅(qū)動(dòng)。在彎曲行波的作用下，壓電陶瓷板表面產(chǎn)生彎曲變形和誘導(dǎo)電荷。感應(yīng)電荷經(jīng)整流儲(chǔ)存后，可向外部負(fù)載供電[3]。

2.2 PVdF(聚偏二氟乙烯)壓電超聲薄膜

2.2.1 PVdF壓電超聲薄膜振動(dòng)傳感原理

壓電效應(yīng)是Jacques Curie和Pierre Curie在1880年發(fā)現(xiàn)的，1969年日本學(xué)者H.Kawai發(fā)現(xiàn)了PVDF薄膜具有強(qiáng)壓電性,引起各國(guó)科學(xué)家的極大興趣，經(jīng)過(guò)幾年的努力,PVDF已成為最具潛力的聚合物壓電材料。由于pvdf壓電薄膜具有較高的壓電常數(shù)(d33=20pc/n)和對(duì)可變力的高靈敏度，因此選用pvdf壓電薄膜。壓電輸出常數(shù)g=174，是石英晶體的10倍。在很高的交變電場(chǎng)中不退極化，單位體積可以獲得較大的輸出功率。換能器單位體積的最大輸出功率與機(jī)電耦合系數(shù)的平方和換能器能夠承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。膜質(zhì)輕柔，易于制備，與人體組織具有良好的阻抗耦合性，能粘附在皮膚上，使脈沖信號(hào)通過(guò)膜而不失真。此外，由于薄膜與人體皮膚相似，可以制作仿生觸覺(jué)傳感器。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)低，阻尼小，密度低，具有寬帶特性，能滿足脈沖信號(hào)的頻率特性。人體的脈搏很低，大約0.5～4Hz，通常約1Hz。由于聚偏氟乙烯膜具有良好的柔韌性，此外，厚度方向的拉伸振動(dòng)具有較高的共振頻率，因此在較寬的范圍內(nèi)(響應(yīng)范圍為0.1～100mHz)可以得到平坦的頻率響應(yīng)。因此，在理論上，pvdf傳感器可以檢測(cè)到微弱的低頻脈沖信號(hào)[4]。

2.2.2 PVdF壓電超聲薄膜的應(yīng)用

由于PVdF壓電超聲薄膜具備的優(yōu)越性能，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)合其技術(shù)，本文介紹了一種用于仿生手的pvdf壓電薄膜傳感器，該傳感器能同時(shí)感知英寸、關(guān)、尺的脈搏信號(hào)。根據(jù)脈沖頻譜分析，99%的能量集中在10hz以下，最高頻率不超過(guò)40Hz。調(diào)理電路主要是檢測(cè)微弱脈沖電信號(hào)的處理。

聚偏二氟乙烯的壓電薄膜換能器是本設(shè)計(jì)中的一個(gè)敏感元件，也是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。它的功能是模擬人體的壓力感，將微弱的、低頻的脈沖壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。壓電薄膜具有高的內(nèi)阻和微弱的脈沖，因此它建立了一個(gè)電荷放大器。①低通濾波器由r1和c1組成，上限截止頻率約為1000Hz，使脈沖信號(hào)的高次諧波能夠通過(guò)，脈沖信號(hào)反映的病理特征信息能夠完全保存。電壓放大器的主要功能是放大電荷放大器的輸出電壓信號(hào)并提供不同的增益。②過(guò)濾掉高頻干擾。低通濾波器可以對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)usb接口與微機(jī)進(jìn)行通信[5]。

2.3 結(jié)構(gòu)

壓電地板由兩部分構(gòu)成：①跟普通地板一樣的耐磨層,耐磨層可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)合進(jìn)行更換。不同表面材質(zhì)的感壓系數(shù)不同,所以匹配不同的材料我們需要選擇不同規(guī)格厚度的壓電陶瓷片,來(lái)實(shí)現(xiàn)最好的發(fā)電效果。由于現(xiàn)在的工藝局限,且壓電陶瓷片必須要嵌面層中,壓電地板在選購(gòu)表面耐磨層的時(shí)候需選擇加工時(shí)不會(huì)破壞壓電陶瓷片的材料,地板中選擇復(fù)合地板,塑膠材質(zhì)選擇較為堅(jiān)硬的,防止在踩踏過(guò)程中使陶瓷片變形碎裂。②由壓電模塊、功率模塊、儲(chǔ)能模塊三大部分連接而成的技術(shù)板塊。技術(shù)板塊與表面層通過(guò)壓電陶瓷片嵌入連接在一起,電路板安裝在表面層背面,并有絕緣密封防水材料覆蓋,以增強(qiáng)產(chǎn)品的安全性和耐用性[6]。

壓電裝置主要包含：①壓電陶瓷片。壓電發(fā)電的核心元件,產(chǎn)生正壓電效應(yīng),兩端極化產(chǎn)生電壓；②功率模塊；③整流器部件。壓電陶瓷產(chǎn)生的電流是瞬間電壓通過(guò)PWT整流部件將瞬間電壓進(jìn)行整流；④變壓器部件。為了適用不同的用電器,變壓器起到適配不同需求的用電器的功能；⑤DC/DC變換器部件。由兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路組成,分別位于變壓器部件的兩邊，一個(gè)為DC/AC逆變轉(zhuǎn)電路，一個(gè)為AD/DC轉(zhuǎn)換電路，兩者配合變壓器，共同完成我們產(chǎn)品的電流處理功能。

3 產(chǎn)品工藝流程

產(chǎn)品工藝并不復(fù)雜,主要步驟為壓電陶瓷片的制作,壓電陶瓷片的裝入,焊接儲(chǔ)能電路,控制電路,粘合電路板與表面耐磨層,最后是整體的組裝和性能調(diào)試。產(chǎn)品的工藝水平直接影響到壓電陶瓷的性能和質(zhì)量。核心技術(shù)在于電路板PCB的制造和裝入,其中關(guān)鍵就是要確保壓電陶瓷受到的壓力均勻,并能通過(guò)儲(chǔ)能和穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定的輸出。

產(chǎn)品材料的發(fā)電地板材料參數(shù)，發(fā)電地板的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,整塊發(fā)電地板由六層結(jié)構(gòu)組成,從上到下分別是表面耐磨層,海綿狀緩沖層,防水絕緣層,壓電陶瓷層,PCB控制電路板層,防水絕緣層,耐磨底層。

4 總結(jié)

壓電地板帶來(lái)的綠色環(huán)保效果既符合人們對(duì)低碳生活方式的向往又減少了不可再生能源的消耗。隨著政府導(dǎo)向的需要，國(guó)內(nèi)對(duì)于新能源的需求會(huì)不斷增長(zhǎng)，壓電地板作為新技術(shù)、新能源將有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。