基于壓電陣列的能量轉換發光演示器件

李俊 趙富強 趙華偉 劉鎧誠 李季

摘??要：利用正壓電效應發電，控制電路供電，光電二極管（LED）組塊發光，研制了一種基于機-電-光能量轉換發光的演示器件。使用數字示波器和定值電阻（50Ω）探究了發電模塊輸出電壓隨單層陶瓷片數及模塊層數之間的定量關系。當雙手有規律地按壓時，單片陶瓷整流前的輸出電壓峰峰值（Vpp）約為15.58V，隨著片數的增加，Vpp逐漸降低，當片數增加到49片時，單層模塊的Vpp約為的6.95V。將四層發電模塊單獨整流，并聯疊放，壓電陣列的Vpp約3.22V。當連接50Ω定值電阻負載時，發電模塊的輸出峰值功率可達0.5?mW。演示時，負載連接LED組塊（并聯200個紅光LED），器件可在雙手按壓下呈現出明顯地發光現象。

關鍵詞：壓電陶瓷陣列;能量轉換發光;演示器件

壓電效應是由居里兄弟在1880年研究α石英晶體首先發現的，包括正、逆壓電效應兩種，是應用物理學的基礎物理效應之一。作為一類重要的能量轉換功能材料，壓電陶瓷在傳感器、驅動器、變壓器、壓電點火等方面具有重要的應用價值。近年來，收集日常生活中的機械振動能量并將其轉化成電能是面向能源的功能轉換器件的重要研究方向之一。同時，對于應用物理學專業的高年級學生，已經初步掌握電子工藝、電路原理、光電子學及單片機等實驗課程的基礎知識，設計和制作基于壓電陶瓷的轉換器件既可以讓學生深刻理解壓電材料能實現機械能和電能相互轉換的物理實質，又可以使學生在電路分析與優化、機械設計與加工以及器件系統的安裝與調試等工程物理方面得到技能的訓練和提升。

利用正壓電效應發電，整流橋、儲能電容及控制電路供電，光電二極管（LED）組塊發光，本文研制了一種基于機-電-光能量轉換發光的演示器件。同時，利用示波器和負載電阻，詳細地探究了壓電陶瓷的陣列參數對演示儀器輸出特性的影響。

1?電路設計、工作原理，制作及演示效果

如下圖1所示，為了實現機械能-電能-光能的有效轉化，演示儀器的電路分為三部分，自左至右分別為壓電陶瓷陣列（I）、整流及控制電路（II）以及LED發光組塊（III），分別完成機械能向電能的轉換，整流、電能傳遞、電路保護，以及將電能轉換成光能。

圖2（a）給出利用了四層3×3壓電陣列發電并暫存到超級電容C中，在閉合S1至b端點瞬間，LED組塊負載發光效果的照片。圖2（b）給出了利用了兩塊四層的7×7壓電陣列發電，并給近1000個LED（圖3b中“發光大師”）供電的演示儀器實物，該儀器實物演示效果良好，還作為展品參加了安徽省慶祝改革開放40周年科技創新成果展，后被安徽省創新館作為正式展品收藏。

2?對壓電陣列輸出電壓特性的探究

為提升演示效果，優化器件設計，利用示波器和負載電阻，我們探究了不同的壓電陣列對器件發光效果的影響。由于LED發光的能量來自于操作者按壓壓電陶瓷陣的機械能，實驗探究主要是考查手按壓壓電陶瓷陣列的輸出電壓情況。圖3給出了用雙手持續按壓陶瓷陣列時，不同片數的單層發電板輸出電壓峰峰值情況。為了減小隨機誤差，每組數據均采集10次。由圖3（a）可以看出，對于單層發電板，一片壓電陶瓷的輸出電壓最大，均值可達15.58V，但輸出電壓不夠穩定。隨著壓電陶瓷片數的增加，電壓峰峰值呈現逐漸下降的趨勢，即片數越多電壓峰峰值越小。當片數增加到49片時，電壓峰峰值降到均值約6.95V。這主要是因為壓電陶瓷的電壓與等效電容（平行板電容器）呈反比例關系[9]，當多個陶瓷片并聯時，其等效電容值的增加導致輸出電壓的降低。圖3（b）給出了10次按壓輸出電壓的平均值及其標準差的數據結果，由圖可以清晰的看出，電壓峰峰值隨著片數的增加不斷減少，同時輸出電壓值越來越穩定（標準差也不斷減?。?。這無疑有利于獲得穩定的電壓輸出，提升演示器件的演示效果。為增加輸出功率，提升LED組塊的發光亮度，優化器件的演示效果，壓電陶瓷陣列采用多層壓電板單獨整流、然后并聯的連接方式發電。當用雙手有規律地按壓壓電陣列時，器件顯示了很好的演示效果。

3?小結與展望

采用正壓電效應發電，整流、控制及傳輸線路供電，促使光電二極管發光，本項目成功研制了一類機械發光演示器件，實現了機械能-電能-光能的高效轉換。如果采用50?Ω定值電阻作為負載，器件的輸出功率峰值可達0.5?mW，這一結果是基于圓盤壓電振子能量采集器的最大輸出功率（22.86?μW）的20倍，與唐可洪等設計的壓電發電裝置的輸出功率（0.87?mW）量級相當[13-14]。從物理原理上講，演示器件利用了正壓電效應、二極管的單向導通特性、整流橋原理、電容和超級電容的儲、放電原理、LED的單向導通發光等基本物理原理，實現了機械能-電能-光能的高效轉換。從創新訓練的角度講，演示儀器制作過程中，涉及元器件優選、陣列設計及優化、CAD制作，整流橋設計、電路組裝與調試等工程、技術問題及其解決的訓練，因而使項目組成員在諸多方面得到訓練和提升。同時，這種類型的發光器件可應用于光照不足、意外停電、供電困難、自然災害等特殊環境下的應急照明。此外，還可以將其與公交車車身、健身跑步機、健身騎行機、跳舞機、跑鞋等結合，發明新型的能量俘獲和轉化裝置，將人類日?；顒又械臋C械能隨時收集起來，減輕日益嚴峻的能源壓力。

參考文獻：

[1]李言榮.電子材料[?M]?.北京：清華大學出版社，2013.

[2]李俊.幾種鈣鈦礦鐵電體的電性能與發光新功能研究[M].同濟大學博士論文，2017：?2-3.

[3]龔立嬌.基于壓電材料的能量采集研究?[M].南京航空航天大學碩士論文，2008：?24-42.

[4]程光明，龐建志，唐可洪，等.壓電陶瓷發電能力測試系統的研制[J].吉林大學學報，2007，?37（2）：?367-371.

基金項目：國家級大學生創新訓練項目（201810371056）;省級大學生創新訓練項目（201710371117）;基礎教育研究成果培育（2019JCJY10）;省高校優秀青年人才支持計劃項目（gxyq2018045）;國家級大學生校外實踐教育基地項目（221）;省級教學研究項目（2016jyxm0763）;省級大學生創客實驗室建設項目（2016ckjh138）;省級卓越人才教育培養計劃項目（2016zjjh047）?資助

*通訊作者：李俊（?1980—?），男，漢族，安徽阜陽人，工學博士，副教授，研究方向：能量轉換功能材料與器件。