多晶片壓電懸臂梁發電裝置實驗研究

田曉超，李慶華，賀春山

(長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

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多晶片壓電懸臂梁發電裝置實驗研究

田曉超，李慶華，賀春山

(長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

為了實現壓電晶片寬頻發電而提高發電量，設計了一種多晶片壓電發電裝置，采用4塊壓電晶片極化方向相同并聯方式，通過ANSYS仿真分析與實驗相結合的方法，得出不同位置壓電發電狀況，對配重塊的質量進行了優化，對優化后的發電懸臂梁進行了測試，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；發電裝置

0 引言

壓電材料利用本身的特性將機械能轉換為電能，并把這些能量通過特定方式收集后作為新能源使用。該技術具有自適應性強、環保性能好，結構簡單的特點，越來越受到廣大科研工作者的關注，并在此領域取得了一定的成果[1-4]。

近年來，國內外學者關于壓電發電供能技術的研究應用在多個方面：納米壓電發電機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)產生的機械能，通過納米壓電發電材料轉換為電能；安置于路面下的壓電發電轉換器件會收集車輛行駛和路人行走時的機械能并轉換為電能，這些電能經過整流調整、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漩渦現象，從而產生壓力差，促動壓電片彎曲變形產生電能[7]；壓電陶瓷打火機，兩個壓電陶瓷叩擊機構撞擊這一極，另一極可以瞬間產生較高的電壓，點火針會釋放電火花[8]。

本文設計一種多晶片壓電懸臂梁發電裝置，實現寬頻段產生電能、提高發電效率，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，從而實現寬頻發電。該裝置可應用在狹窄空間自適應供電。

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，傳統單晶片和雙晶片電懸臂梁結構確定以后，其諧振頻率為定值，輸入的激勵頻率會隨外界環境而發生變化，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，本結構可以從多個輸入激勵頻率段收集電能，這樣可以實現拓寬壓電振子的工作頻率，使其能更好地在共振區工作，實現寬頻發電，提高發電效率。其結構三維模型如圖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 結構分析

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，在晶片上面產生的電荷不均勻，而且陶瓷晶片彎曲方向不同，其表面產生的電荷極性相反，不能直接統一收集，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 晶片不同位置發電情況

對基板上不同位置的不加質量塊的壓電陶瓷晶片用ANSYS軟件進行仿真分析，仿真模態結果如圖3所示。

圖3 壓電懸臂梁仿真模態圖

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

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電量，使多晶片壓電振子達的共振狀態，分別對4片壓電陶瓷晶片進行發電能力試驗，從靠近固定端部陶瓷晶片開始標記為第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。壓電振子標記如圖4所示。

圖4 壓電懸臂梁的標記

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據如表1所示。

表1 不同位置壓電晶片的發電能力

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電能力越強，因為在多晶片壓電振子產生一定的變形后，越靠近固定端，曲率越大，彎曲越強烈，根據壓電效應可知，機械能和電能的轉換效率越高，產生的電荷越多，與ANSYS仿真理論分析相符。

2.3 質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，安裝不同質量的配重塊能更容易地實現寬頻發電。分別選用規格為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，示波器顯示瞬態電壓波形和共振頻率，對不添加質量塊和添加不同質量塊情況下分別測量單個多晶片壓電振子的瞬態響應，如圖5所示。

圖5 同質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量塊的質量越大，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到共振狀態，此時具有較強的發電能力。

3 發電實驗

3.1 實驗設備

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

壓電陶瓷晶片尺寸和數目的選擇尤為重要，一定范圍內壓電陶瓷的面積越大發電能力越強，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 數據測試

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

圖8 不同頻率下壓電發電裝置充電曲線

由曲線圖可知，外界激勵頻率在5Hz、10Hz、15Hz的情況下，壓電發電裝置產生的電能偏弱，當外界激勵頻率達到35Hz時，壓電發電裝置的發電性能達到更佳狀態，電壓達到了7.1V，在此狀態下工作的多晶片壓電振子每秒鐘振動的次數多且振幅也較大，說明該裝置處在共振狀態。而當外界激勵頻率達到40Hz時，壓電發電裝置的發電能力下降，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，遠離了共振區間。因此，由分析可知在選擇壓電發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下工作。該實驗同時也說明了壓電發電懸臂梁的頻寬得到了增加。

4 結論

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

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[3] Roundy, Shad, Wright P K, Rabaey J.A Study of Low Level Vibrations AsA Power Source For Wireless Sensor Nodes[J]. Computer Communications, 2003,26(7)：1131-1144.

[4] Aktakka E E, Kim H, Najafi K. Energy scavenging from insect flight[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2011, 21(9): 095016.

[5] John Kymissis，Clyde Kendall，Joseph Paradiso，et al.Parasitic Power Harvesting in Shoes[J]. Journal of Power Sources,2003(115):167-170.

[6] Joseph A Paradiso．Systems for Human-Powered Mobile Computing[C].∥San Francisco:Proceeding of the 43rd Design Automation Conference,2006.

[7] 張永良, 林政. 海洋波浪壓電發電技術的進展[C]∥中國可再生能源學會海洋能專業委員會第三屆學術討論會論文集,杭州：中國可再生能源原學會海洋能專業委員會， 2010.

[8] 林聲和，葉至碧，王裕斌.壓電陶瓷[M].北京：國防工業出版社，1979.

責任編輯：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

國家自然科學基金項目(51277088)；長春大學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，主要從事壓電驅動與控制技術方面的研究。

TM619

A

1009-3907(2016)10-0039-05