單-雙晶片壓電換能器發電能力仿真分析與實驗研究*

侯躍謙，朱金志，田曉超，孫禹澤，王海剛，王志聰，王 虎

(長春大學 機械與車輛工程學院，吉林 長春 130022)

0 引 言

壓電材料具有節能環保、壽命長、體積小、不受磁干擾等優點[1]，被國內外學者廣泛關注。特別是作為節能環保能源將機械能轉化為電能發電技術成為研究的熱點[2]。例如美國、日本等國家大量開展了對壓電發電與能量存儲技術進行相關的研究[3-7]。發電技術最為代表性的就是壓電懸臂梁式發電，學者對其進行了大量的分析與研究，主要表現在：①對懸臂梁壓電換能器進行理論分析和實驗測試來研究其發電性能[8-9]；②為提高換能器發電效率對壓電方程進行理論推導，得出影響換能器發電效率的表達式及影響因素[10]；③壓電懸臂梁結構尺寸、配置位置以及不同質量對發電能力的影響以及不同金屬基板材料對能量傳遞的影響[11-13]。

筆者主要針對單晶片換能器和雙晶片換能器發電能力進行實驗對比研究，為壓電材料發電提供設計理論與技術參考。

1 結構設計與工作原理

單晶片和雙晶片壓電換能器結構示意圖如圖1和圖2所示。主要由固定支撐部分、壓電換能器(金屬基板和壓電陶瓷材料粘接而成)以及質量塊組成。雙晶片壓電換能器采用雙面晶片陶瓷貼置，單晶片壓電換能器采用單面晶片陶瓷貼置。由于壓電材料具有正壓電效應，當壓電換能器受到外部作用力時，壓電換能器發生彎曲變形，在質量塊慣性作用下，壓電換能器彎曲變形進一步變大，壓電陶瓷材料在外部應力的作用下產生電荷，進而起到發電的作用。

圖1 雙晶片壓電換能器發電模型

圖2 單晶片壓電換能器發電模型

1.2 仿真分析

利用仿真軟件對單-雙壓電換能器進行仿真分析，仿真結果如圖3、4所示。

圖3 單晶片壓電換能器仿真圖

圖4 雙晶片壓電換能器仿真圖

從以上仿真可以看出，單晶片換能器第二階模態符合振動形態，在換能器的中部發電量最大，最佳頻率為38.9 Hz；雙晶片換能器第一階模態符合振動形態，發電量最好，最佳頻率為43.1 Hz。

2 實驗測試

單-雙懸臂梁壓電換能器發電能力測試系統圖如圖5所示，換能器材料及尺寸參數如表1所列。配重塊的質量為6.2 g，由信號發生器提供所需的外部激勵，此激勵信號通過導線傳遞給激振器，用于控制激振器為壓電換能器提供激勵振動。激光測微儀測試壓電換能器振動幅值，壓電換能器在激勵的作用下產生振動，產生電能。用數據線連接示波器和微型計算機，由此獲得實驗的測試數據。

表1 壓電換能器材料及尺寸參數

圖5 測試裝置系統圖

2.1 發電量與驅動頻率影響關系

單-雙晶片壓電換能器隨驅動頻率發電量影響關系曲線如圖6所示。

圖6 發電量與驅動頻率影響關系曲線圖

從圖中可以看出，單-雙晶片壓電換能器發電量隨驅動頻率先增大后減小，且都有一個輸出最大值，單晶片壓電換能器在驅動頻率為38.4 Hz時輸出電壓最大，最大幅值電壓為13.5 V。雙晶片壓電換能器在驅動頻率為42.2 Hz時輸出電壓最大，最大幅值電壓為15.4 V。略小于理論分析值，主要是因為換能器裝配精度的影響以及理論模型參數過于理想造成的誤差。雙晶片壓電換能器發電量要高于單晶片壓電換能器發電量。

2.2 發電量與激勵振幅影響關系

單-雙晶片壓電換能器發電量隨激勵振幅影響關系曲線如圖7所示。

圖7 發電量與激勵振幅影響關系曲線圖

在外部激勵頻率為40 Hz時，單-雙晶片壓電換能器發電量與外部激勵振幅成正比。主要是由于在一定的激勵頻率內，激勵振幅越大，壓電換能器產生的變形就越大，相應產生彎曲應力也就越大，電荷量隨之變大。當激勵振幅小于1.2 mm時，單晶片壓電換能器的發電能力要優于雙晶片壓電換能器，當激勵振幅大于1.2 mm時，雙晶片換能器的發電能力要優于單晶片換能器。如果外界提供的激勵振幅較小時，應當盡量優先選用單晶片壓電換能器，否則，將選用雙晶片壓電換能器。

3 結 語

設計了單-雙晶片壓電換能器發電模型，并對兩種懸臂梁壓電換能器進行了仿真分析與實驗測試，分別測試驅動頻率與激勵振幅對換能器發電量的影響對比實驗。單-雙晶片壓電換能器在共振頻率狀態下發電量最大，隨激勵振幅的增大產生的電能也隨之變大。結果表明，雙晶片壓電換能器發電量要優于單晶片壓電換能器，為壓電材料發電提供理論依據與技術參考。