一種新型壓電地板設(shè)計

（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)到了一個較高的水平，壓電發(fā)電原型在實(shí)驗室中也達(dá)到了一個較高的水平。要使實(shí)驗室的成熟產(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)過整流器整流后用濾波器處理后儲存進(jìn)入鋰電池,用定時開關(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，利用夾層錐形壓電驅(qū)動發(fā)電機(jī)對壓電陶瓷施加兩個相位差為90°的高頻激勵信號，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)動由摩擦驅(qū)動。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,引起各國科學(xué)家的極大興趣，經(jīng)過幾年的努力,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，使脈沖信號通過膜而不失真。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傳感器可以檢測到微弱的低頻脈沖信號[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，該傳感器能同時感知英寸、關(guān)、尺的脈搏信號。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40Hz。調(diào)理電路主要是檢測微弱脈沖電信號的處理。

聚偏二氟乙烯的壓電薄膜換能器是本設(shè)計中的一個敏感元件，也是設(shè)計中的關(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轉(zhuǎn)化為電信號。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，使脈沖信號的高次諧波能夠通過，脈沖信號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并提供不同的增益。②過濾掉高頻干擾。低通濾波器可以對脈沖信號進(jìn)行預(yù)處理，并通過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,壓電地板在選購表面耐磨層的時候需選擇加工時不會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)選擇較為堅硬的,防止在踩踏過程中使陶瓷片變形碎裂。②由壓電模塊、功率模塊、儲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。由兩個開關(guān)電路組成,分別位于變壓器部件的兩邊，一個為DC/AC逆變轉(zhuǎn)電路，一個為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,并能通過儲能和穩(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)

壓電地板帶來的綠色環(huán)保效果既符合人們對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，國內(nèi)對于新能源的需求會不斷增長，壓電地板作為新技術(shù)、新能源將有強(qiáng)大的競爭力。