基于压电材料的振动能量收集技术研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于压电材料的振动能量收集技术研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

理，英国科学家设计制造 出了 鼓膜式声波接收器，他将能聚集声能的共鸣器 和 接收器连接 起来 ，来自共鸣器的声能作用于声能转 换器时， 即 可 以 发电。 同样，韩国研究人员仿照人耳鼓膜制造出了噪声发电机，它内部存储有碳酸盐、丙烯腈等化学物质可以将噪声冲击波对仿生鼓膜的振动能转化为化学能储存起来 [11]。 但是，声能的输出功率密度太低，而且要达到理想的输出功率，就要求声音环境有足够高的分贝值，这只有在一些特殊的场合才能实现，况且过高的分贝值对人耳来说是难以承受的。 3)温差能收集 温差发电技术是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种能量收集技术。 如 图 ，将 P 型富空穴热电材料和 N 型富电子热电材 料的一端相连而形成一个 PN 结 [12]，并将其一端置于高温环境，而另一端置于低温环境。 由于热激发作用， P 型材料高温端的空穴浓度 要高于低温端 的空穴浓度 ，或者说 N 型材料高温端的电子浓度高于低温 端 ，在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就会 缓缓的 向低温端扩散， 继 而形成电动势，这样，热电材 料就通过高低温 两 端之间的温差补偿 ， 完成了将高温端的输入热能转化成电能的过程。 单独的一个PN 结 只能生成很小的电动势 ，但如果 串联起 众多的 PN 结， 那么久 可以得到足够高的电压，继 而形成一个温差发电机。 用于温差发电的热电材料主要以半导体材料为主，如 Bi2Te PbTe2SnTe和 SiGe 与 MnTe等 [13]。 利用这些热电材料制成的温差发电设备具有体积小、重量轻、无振动、运行无噪音、工作寿命长和在极端恶劣环境下可长时间工作的优点，非常适合于各种无人监视的传感器、卫星电源、灯塔和导航标识以及医学和生理学研究领域。 例如 ， Maneewan 等 [14]利用置于屋顶的钢板吸收太阳能，太阳能辐射到钢板上 , 使热电转换器件的热端温度升高，与冷端形成温差从而输出电能。 实验证明，在环境温度为 3035186。 C，辐射强度为 800W/m2 时，能够产生。 在我国的探月二期工程中 , 已经成功论证了将采用同位素温差发电器提供动力给常值负载和 CPU 提供电力 [15]。 但是，低效率一直是限制温差发电技术产业应用的最主要原因。 自 1947 年第一台温差 第 4 页 共 23 页 发电机以仅 %的能量转换效率问世以来 [16]，为了提高能量转换效率，人们从热电材料、结构优化等各个角度对温差发电机进行了研究，但是目前温差发电机的效率也只介于 5%～7%之间。 因此，为了发挥温差发电机的最佳性能，还应从高性能热电材料、最佳匹配工作条件以及数值仿真模拟与实验等方面进行深入研究。 图 温 差发电机原理 振动能量收集方法 机械振动普遍存在于人们的日常生活和工业环境中，例如手机、装配车间、机床、火车、空调等。 表 列举了一些常见的振动源以及它们的加速度和频率特性 [17]。 可以看出，这些常见的振动源频率都介于 60 到 120Hz 之间，所产生的峰值加速度大概处于 1 到 10m/s2。 由于振动能量在任何工业领域都很容易得到，因此，近些年来对基于振动环境的能量收集技术的研究越来越多。 基于环境的振动能量收集是一种将周围环境中的振动能量通过某种机制而转换成电能的技术，根据能量转换机制的不同，英国学者 Williams 和 Yate[18]将振动能量收集方法分成三类：静电式 (Electrostatic) 、 电 磁式 (Electromagic) 和压电式(Piezoelectric)，这三种振动能量收集方式各有其优缺点和适用范围。 1) 静电 (电容 )式 静电式振动能量收集器也称为电容式振动能量收集器，其基本结构主要由两部分组成：可变电容和恒定电压源，其中可变电容由一个固定电极和一个附有惯性质量块的可动电极构成。 静电式能量收集器将振动能量转换成电能的原理是：在周围振动环境的影响下，惯性质量块带动可变电容器的可动电 极板，从而改变电容的大小。 如果事先给电容器极板上加上了恒定的电压，那么当可动极板在环境振动的带动下发生往复运动时，电容器的容量将发生变化，则根据 Q CU 可得电极板上的电荷将向外流动形成电流，从而将外部的振动能量转换成电能输出。 2） 电磁 (电感 )式 电磁式振动能量收集器也称为电感式振动能量收集器，其转换原理与法拉第发电机的电磁感应原理相同。 当线圈在磁场中做切割磁力线运动时，在导线内将产生电流，其输出电能的大小由磁场强度、线圈的匝数和其相对于磁场的运动速度决定。 根据线圈 切割磁力线的不同方式可将电磁式振动能量收集器分成磁极运动型和磁极固定型。 顾名思义，磁极运动型是线圈保持不动，磁极运动引起线圈相对切割磁场而产生电能；而磁极固定型是磁极保持不动， 第 5 页 共 23 页 线圈运动切割磁场而产生电能。 表 常见振动源及其特性 振动源 峰值加速度 (m/s2) 频率 (Hz) 三轴机床基座 10 70 厨房用搅拌机外壳 121 干衣机 121 关门时的门框 3 125 微波炉 121 空调 60 行走时的木质板 385 面包机 121 靠街窗户外侧 100 运行光驱时的电脑 75 洗衣机 109 木结构建筑的二层楼表面 100 冰箱 240 3）压电式 压电式振动能量收集器 (也称为压电发电机 )的原理是利用环境中的振动能量使压电元件发生变形，并通过压电效应使得因压电元件变形而产生的应变能转换成电能输出。 理想情况下，压电元件的变形越大，其产生的电能也越大。 目前压电振动能量收集器主要通过三种结构形 式实现环境振动能量的收集，它们分别是悬臂梁结构、铙钹结构和柱筒结构 [19,20]，如图。 悬臂梁结构是最常用的压电式振动能量收集器结构，也是最简单的一种结构。 在这种结构中，压电元件黏贴于悬臂梁表面，周围环境的机械振动使悬臂梁发生弯曲变形而带动压电元件发生形变，从而将振动能量转化成电能；铙钹结构的压电振动能量收集器主要由压电片和两个金属帽黏合而成，当铙钹竖直方向受力时，金属帽会将竖直方向力的一部分转变成水平分力并传递给压电片，压电片在受到拉伸作用后发 生形变，从而产生感应电压；柱筒式压电振动能量收集器的结构较为复杂，如 图 0.(c)所示。 若干个压电柱相互黏合构成压电筒，压电筒在旋转的振动环境下发生扭转变形从而产生感应电荷。 由于工业环境中一定角度的扭转振动并非普遍存在，因而这种柱筒式结构很少用于振动能量的收集中，反而在压电制动器中应用较多。 由于悬臂梁式压电振动能量收集器结构简单、在实际中易于实现，因而对悬臂梁结构的压电振动能量收集器进行分析的研究者也居多。 例如， Roundy 建立了矩形压电悬臂梁振动能量收 集器模型，并实验证明，在 120Hz、 产生 375μW 的功率。 Mateu 对比了矩形和三角形压电悬臂梁振动能量收集器，结果表明，在三角形压电悬臂梁的长度、厚度及其固定端宽度与矩形悬臂梁的长度、厚度和宽度都分别相等的情况下，受到相同载荷作用时三角形悬臂梁产生的应变更大，输出的电能也更多。 华中科技大学的胡洪平等 [21]提出了螺旋状压电发电结构，同时对其结构性能、阻抗和外加质量对发电装置的影响规律进行了深入分析。 此外， Kim 和中南大学的陈子光等 [22]分别设计和实验分析了铙钹型和柱筒扭转型压电振动能量收集器。 对比上述静电式、电磁式和压电式振动能量收集器可以发现，静电式振动能量收集器可以通过硅微加工技术制造，并进行批量生产，因而这种能量收集方式有利于与其它 IC 工艺兼容。 但是，由于需要事先给电极板加上一定的电压，所以其必须有独立电源的支持才能工作。 对于电磁式振动能量收集器而言，虽然它不需要额外的电源，但由于它是通过线圈切割磁力线而产生电能的，所以它的结构一般较为复杂，体积也较大，而且对用电设备 会产生电 第 6 页 共 23 页 磁干扰。 相比较而言，压电式振动能量收集器具有许多优势。 首先，它不需要额外的电源支持，也不会对电子设备产生电磁干扰；其次，压电材料易于加工成各种厚度、大小和形状，其各项材料性能受温度的影响较小，这样制作成的压电元件性能稳定，而且便于与环境振动频率相匹配；第三，压电振动能量收集器的能量密度大、结构简单，便于实现结构上的微型化。 为此，本文的研究主要围绕压电式振动能量收集器而展开。 错误 !未找到引用源。 直观地描述了上述三种振动能量收集方式的优缺点。 图 压电式振动能量收集器的三种常用结构 压电振动能量收集技术研究现状及发展趋势 压电材料既有正压电效应，可作为传感元件，又有逆压电效应，可作为驱动元件，因此在电子、航空航天、机械制造、生物工程和机器人等技术领域有着广阔的应用前景。 英国的 Stephen Roberts 等于 20xx 年提出一种新型可调谐的电磁振动微发电机，并对尺寸进行了优化设计来达到输出电压和功率的最大化。 美国的 等提了一种结构紧凑的压电能量收集装置，带有由四个二极管和一个电容器组成的整流电 路，并对圆形和方形两种界面的装置做了发电性能测试。 阚君武，唐可洪等利用欧拉 伯努利方法建立了发电装置的能量转换模型，研究了结构及参数等对压电发电机能量转换效率及发电能力的影响规律并建立了简写激励条件下两种能量转换电路功率计算模型，并进行了模拟分析与实验验证。 王光庆提出一种利用压电叠堆进行机电能量转换的压 电发电装置，并采用压电振动理论和杆的波动理论建立了发电装置的机电耦合分析模型以及输出电压，电流与压电叠堆受力之间的关系表达式。 程光明等设计制作了数据采集软件，可以对测试数据进行处理和显示，为研究压电陶瓷发电能力的影响提供了测试分析平台。 缪建等提出一种新型的对偶子式的压电微悬臂双梁，采用简化的等效器件建立数学分析模型，并利用 ANSYS 对这种对偶子微悬梁臂进行了模拟仿真分析。 压电发电技术的研究已经取得了很大的进展和成果，但同时也面临着更大的挑战，压电发电技术的发展主要围绕以下几个方面展开。 1) 向微能源器件 发展 第 7 页 共 23 页 微能源器件是微机电系统的一个重要分支，而微机电系统（ MEMS）则是二十一世纪的研究领域之一。 微机电系统主要包括两个方面，微结构单元加工技术及微系统集成技术。 微结构单元加工技术是用于制造为组件中的微米级的物件；微系统集成技术是将微组件集成在一起，并对其进行信号的控制与处理，同时提供外部宏观接口。 压电发电装置产生的电力一般在微瓦到毫瓦之间，虽然电力比较小，但足以满足对微功耗系统的供电。 目前，压电技术在滤波器、变压器及加速度传感器中得到了广泛的应用，随着研究的不断深入，必定将进一步推动微能源技术的发展。 近十 多年来，随着压电变压器的设计、制作以及应用等方面的迅速发展，已成功应用于笔记本电脑中。 表 三种振动能量收集方式比较 2) 与旋转机械相结合 目前的研究中，能量捕获装置基本上都是将周围环境中的机械振动能量转换成电能，为了控制机械振动中的噪声以及降低机械零件部件的疲劳损伤，设备的振动都在尽力的抑制，这使得能量捕获装置从振动能中获取能更为困难，但是旋转机械具有大量可转换的动能，即使是效率比较低的压电发电装置也可以为大部分电子设备提供电量。 当前，已经研究出的通过旋转机 械获取能量的研究装置主要有高速公路隧道中的视线导航标识等，但这类研究依然很少，因此，将压电发电技术与旋转机械相结合的研究将成为下一步的研究重点。 3) 实现设备自供电 便携式和无线式电子市场日趋壮大成熟，其中能量捕获是其实现自供电的关键，未来的能量捕获技术将会以能量的捕获、存储以及应用电路为主要研究方向，解决无线传感网络、嵌入式传感器等供电问题。 若将能量捕获装置和状态检测设备集成，构成独立自供电、自感应单元，实现结构健康监控，将进一步推动能量捕获方法从实验室向实用发展。 在一些特殊的场合，需要设备自供电运行 ，而自供电的关键技术是其能量捕获。 而压电发电材料在这方面有着显著地优良特性，利用压电材料的压电效应和逆压电效应可以设计制作出各类检测装置与控制传感器，已满足不同场合的需求。 压电材料这一突出性能使其消除了工作环境的限制，受到越来越多的关注。 能量收集电路与能量转换效率 由于压电振动能量收集器本身输出的电能有限，因而在对压电发电机进行理论建模和仿真分析的同时，一些研究人员也对如何提高其机械能 电能的转换效率进行了研究。 又因为压电振动能量收集器自身的阻抗较大，因而对其能量转换效率的研究主要集中在其后续能量收集电路的研究上。 最早的能量收集电路被称为 RAC 型 (或消耗型 )电路，这种电路中只有一个电阻负载，压电振动能量收集器与电阻负载直接相连，如 (a)所示。 由于 RAC 型能量收转换类型 优点 缺点 能量密度(mJ/cm3) 静电式 电压输出高 较好的 MEMS 兼容性 结构设计复杂 需要启动电源 4 电磁式 技术成熟 无需启动电源 结构较为简单 难以由 MEMS 技术实现 体积大 输出电压低 压电式 易 于由 MEMS 技术实现 输出能量密度大 结构简单，无需启动电源，无电磁干扰 单个压电发电机输出电能有限 转换效率较低 阻抗大，难于实现与负载的阻抗匹配 第 8 页 共 23 页 集电路最为简单，因而对压电振动能量收集器的最初研究都以此电路为主。 以上文献中大部分都将振动源等效成一个单一的简谐信号，而且为了得到最大的电能输出功率，要求整个能量收集器工作于其固有振动模式下。 Jiang 发现，振动源频率与能量收集器固有频率的微小偏移会引起整个输出功率的大幅下降，因 而就出现了对调节压电振动能量收集器的固有频率，从而使其与环境振动源振动频率匹配的方法研究。 在此基础上， Umeda通过理论和仿真分析得出，在冲击振动的激励下，压电振动能量收集器的能量转换效率最大可以达到 52%。 接着， Roundy 设计并分析了两种结构的悬臂梁式压电发电机的能量转换效率，通过对比发现理论转换效率比实验结果高出了 30%。 Cho 对比分析了悬臂梁型、堆栈型和薄膜型的压电能量收集器，结果发现，能量转换效率主要由压电材料的品质因数和机电耦合系数决定。 然而， RAC 型能量收集电路是以消耗压电振动能量收集器的输 出电能来评估其能量转换效率的，而且其输出为交流电压。 但是，几乎所有的电子设备都需要直流电压才能正常工作，这就促使另一种 ACDC 型能量收集电路的产生。 图 两种能量收集电路 ACDC 型能量收集电路由整流器、滤波电容和负载电阻组成，如 (b)所示。 由于压电振动能量收集器经过 ACDC 之后能直接输出直流电压，因此对以 ACDC 负载电路为基础的能量收集电路的研究较为广泛。 Ottman 设计了一种降压开关电路， 并实验证明 了在线性负载和弱耦合的情况下，这种开关电路能够将压电振动能量收集器的输出功率提高400%。 Shu 对比分析了强耦合和弱耦合下压电发电机功率输出的影响因素，并指出，最 优输出功率的条件因耦合强度的不同而发生变化。 近年来， Guyomar 提出了一种能够大幅提高压电振动能量收集器输出功率的新的能量 收集电路，这种同步切换能量收集电路 (synchronized switch harvesting on inductor, SSHI)来源于一种被称为同步开关阻尼 (synchronized switch damping, SSD)的非线性技术。 SSD 非线性技术首先由 Richard 提出来，他指出，为了提高压电设备的能量传输效率，一般都在传输电路上添加一个电感来调节负载电路的阻抗从而实现输入输出的阻抗匹配，但是这种匹配电路在频率较低时无法发挥作用。 为此，接着他提出了另一种半阻尼的匹配电路，这种电路虽然需要消耗极少的电能来工作，但它能够在较宽频率范围内实现阻抗匹配。 Richard 的团队以此SSD 技术为基础，开发出了适合于提高压电振动能量收集器输出功率的 SSHI 电路，并从理论上。