多晶片压电悬臂梁发电装置实验研究

多晶片压电悬臂梁发电装置实验研究
田晓超;李庆华;贺春山
【摘要】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 di￣rection, 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.%为了实现压电晶片宽频发电而提高发电量,设计了一种多晶片压电发电装置,采用4块压电晶片极化方向相同并联方式,通过ANSYS仿真分析与实验相结合的方法,得出不同位置压电发电状况,对配重块的质量进行了优化,对优化后的发电悬臂梁进行了测试,得出振动频率为35Hz时输出最大电压为7.1V,压电晶片的发电能力得到了很大程度上的提高。

【期刊名称】《长春大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(026)005
【总页数】5页(P39-43)
【关键词】多晶片压电振子;悬臂梁;发电装置
【作者】田晓超;李庆华;贺春山
【作者单位】长春大学机械与车辆工程学院，长春130022;长春大学机械与车辆工程学院，长春130022;长春大学机械与车辆工程学院，长春130022
【正文语种】中文
【中图分类】TM619
压电材料利用本身的特性将机械能转换为电能，并把这些能量通过特定方式收集后作为新能源使用。

该技术具有自适应性强、环保性能好，结构简单的特点，越来越受到广大科研工作者的关注，并在此领域取得了一定的成果[1-4]。

近年来，国内外学者关于压电发电供能技术的研究应用在多个方面：纳米压电发电机可以植入人体作为供能源，它收集人自身(如呼吸时肺的跳动、心跳、肌肉收缩和伸张、血液流动等)产生的机械能，通过纳米压电发电材料转换为电能；安置于路面下的压电发电转换器件会收集车辆行驶和路人行走时的机械能并转换为电能，这些电能经过整流调整、收集、存储后可为路灯照明供能等[5-6]；流体流动由于流量和流速的变化会出现漩涡现象，从而产生压力差，促动压电片弯曲变形产生电能[7]；压电陶瓷打火机，两个压电陶瓷叩击机构撞击这一极，另一极可以瞬间产生较高的电压，点火针会释放电火花[8]。

本文设计一种多晶片压电悬臂梁发电装置，实现宽频段产生电能、提高发电效率，把不同位置的压电晶片作为一个个体独立出来，然后通过一定的电路连接方式连接在一起，从而实现宽频发电。

该装置可应用在狭窄空间自适应供电。

有效工作频率的带宽窄限制了能量收集，传统单晶片和双晶片电悬臂梁结构确定以后，其谐振频率为定值，输入的激励频率会随外界环境而发生变化，外界激励频率与谐振频率的差别越大，输出电能越低。

为了改善这一缺陷，提高发电量，在外界激励频率变化范围较大且变化较频繁的情况下，本结构可以从多个输入激励频率段收集电能，这样可以实现拓宽压电振子的工作频率，使其能更好地在共振区工作，
实现宽频发电，提高发电效率。

其结构三维模型如图1所示，主要包括压电陶瓷
晶片、金属基板、配重块与固定孔。

2.1 晶片连接方式
由于每个压电陶瓷晶片在悬臂梁上的位置不同，因此振动时晶片弯曲曲率不同，在晶片上面产生的电荷不均匀，而且陶瓷晶片弯曲方向不同，其表面产生的电荷极性相反，不能直接统一收集，否则会造成电荷的流失。

电极连接方式不同，电荷的收集能力会存在很大差异，本文采用4个极化方向相同情况下的并联方式，如图2
所示。

2.2 晶片不同位置发电情况
对基板上不同位置的不加质量块的压电陶瓷晶片用ANSYS软件进行仿真分析，仿真模态结果如图3所示。

由仿真分析可以看出，多晶片压电悬臂梁越靠近固定端部，压电晶片的应力应变越大。

由于压电晶片发电能力与应力应变成正比，所以在外界激励作用下，压电晶片靠近固定端处产生的应力和弯曲变形最大，因此越靠近固定端的压电陶瓷晶片发电能力越强。

把多晶片压电悬臂梁安装在激振器上施加外力，分别测量每片压电陶瓷晶片的发电量，使多晶片压电振子达的共振状态，分别对4片压电陶瓷晶片进行发电能力试验，从靠近固定端部陶瓷晶片开始标记为第1片压电陶瓷、第2片压电陶瓷、第
3片压电陶瓷、第4片压电陶瓷。

压电振子标记如图4所示。

用万用表交流电压测量档对每片压电陶瓷晶片输出电压测量得到的数据如表1所示。

通过试验对比可知，多晶片压电悬臂梁越靠近固定端的压电陶瓷晶片发电能力越强，因为在多晶片压电振子产生一定的变形后，越靠近固定端，曲率越大，弯曲越强烈，根据压电效应可知，机械能和电能的转换效率越高，产生的电荷越多，与ANSYS
仿真理论分析相符。

2.3 质量块对压电悬臂梁特性的影响
在压电悬臂梁的自由端增加配重块后，能使压电振子发电能力更强，更好地在低频段工作，提高使用寿命，安装不同质量的配重块能更容易地实现宽频发电。

分别选用规格为0g、4g、5g、6g、7g、8g六种金属配重块。

利用HEAS-5功率放大器控制激振器提供外激励，示波器显示瞬态电压波形和共振频率，对不添加质量块和添加不同质量块情况下分别测量单个多晶片压电振子的瞬态响应，如图5所示。

从以上输出波形可知，压电振子自由端添加的质量块的质量越大，多晶片压电振子的谐振频率越小，在外界激励频率较小的情况下就能很容易达到共振状态，此时具有较强的发电能力。

3.1 实验设备
试验台如图6所示，用到的仪器有：激振器、DS 5042M示波器、HEAS-5功率放大器、万用表。

压电陶瓷晶片尺寸和数目的选择尤为重要，一定范围内压电陶瓷的面积越大发电能力越强，本文采用尺寸为71mm×20mm×0.3mm的铍青铜作为基板，压电陶瓷晶片的尺寸为58mm×20mm×0.25mm，由于压电陶瓷晶片面积有限，我们可以考虑把陶瓷晶片平均分割4块，每个晶片陶瓷间距为0.8mm，如图7所示。

3.2 数据测试
测试不同激励频率情况下多晶片压电发电装置在60分钟内的发电效果曲线，测试频率段为5Hz-40Hz,测试结果如图8所示。

由曲线图可知，外界激励频率在5Hz、10Hz、15Hz的情况下，压电发电装置产生的电能偏弱，当外界激励频率达到35Hz时，压电发电装置的发电性能达到更佳状态，电压达到了7.1V，在此状态下工作的多晶片压电振子每秒钟振动的次数多且振幅也较大，说明该装置处在共振状态。

而当外界激励频率达到40Hz时，压电
发电装置的发电能力下降，原因是此时多晶片压电振子的振动频率较高，但振幅较小，振子的变形量也较小，远离了共振区间。

因此，由分析可知在选择压电发电装置的工作激励频率时，要尽可能的使压电振子工作在共振状态下工作。

该实验同时也说明了压电发电悬臂梁的频宽得到了增加。

本文设计了一种四晶片压电发电悬臂梁装置，该装置靠近固定端的晶片发电能力最大，在合理的范围内质量块越大谐振频率越低，发电效果越好。

该发电装置在60分钟谐振频率35Hz时发电能力达到7.1V，提高了发电能力的同时也拓宽了发电频宽。

【相关文献】
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[2] Benasciutti D, Moro L, Zelenika S, et al. Vibration energy scavenging via piezoelectric bimorphs of optimized shapes[J]. Microsystem technologies, 2010, 16(5): 657-668.
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[7] 张永良, 林政. 海洋波浪压电发电技术的进展[C]∥中国可再生能源学会海洋能专业委员会第三届学术讨论会论文集,杭州：中国可再生能源原学会海洋能专业委员会， 2010.
[8] 林声和，叶至碧，王裕斌.压电陶瓷[M].北京：国防工业出版社，1979.。