【正文】 020MW 能量，其中有 22 億分之一投射到地球上。 Piezoelectric power generation device。通過對壓電振子實(shí)驗(yàn)分析，研究對壓電振子輸出功率的影響的各種因素。 壓電發(fā)電的基礎(chǔ)研究工作主要是 從壓電陶瓷材料的特性以及影響其發(fā)電能力因素等方面展開的，這些理論研究解決了壓電陶瓷材料在實(shí)際應(yīng)用中的理論問題，也為壓電陶瓷材料在更廣闊的范圍應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 壓電 /發(fā)電一體化溫度傳感器 摘要 近年來利用壓電材料進(jìn)行能量收集的研究越來越受到人們關(guān)注，究其原因主要在于：首先，壓電材料是一種節(jié)能型環(huán)保材料，是依靠外界振動使其發(fā)生變形而發(fā)電的；其次，利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，可小型化。壓電發(fā)電的研究在日本及歐美等國家開始比較早，而國內(nèi)對壓電發(fā)電的研究尚處于起步階段。并且用 L44 組成的整流橋和 D475 濾波電路組成控制 電路來收集壓電發(fā)電裝置發(fā)出的電，并把電應(yīng)用在溫度傳感器上，溫度傳感器采用 PN節(jié)溫度傳感器。 Temperature sensor xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 …… .................................................................................. 錯誤 !未找到引用源。巨大的太陽能是地球上萬物生長之源，充分利用太陽能具有持續(xù)供能和環(huán)保雙重偉大的意義。 太陽能熱發(fā)電基本工作原理是利用太陽能集熱器將太陽能收集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動熱動力裝置帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。 3． 生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù) 生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)。 地?zé)岚l(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術(shù)，地?zé)岚l(fā)電和火力發(fā)電的基本原理是一樣的，都是將蒸汽的熱能經(jīng)過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。海水中蘊(yùn)藏著的這一巨大的動力資源的總稱就叫做海洋能。平時所說的干電池與蓄電池沒有反應(yīng)物質(zhì)的輸入與生成物的排出，所以其壽命有一定限度；而燃料電池可以連續(xù)地對其供給反應(yīng)物 (燃料 )及不斷排出生成物 (水等 )，因而可以連續(xù)的輸出電力。 壓電陶瓷是一種常用的、具有壓電效應(yīng)的多晶體壓電材料，由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似（原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié)）而得名。這個發(fā)現(xiàn)為壓電陶瓷在實(shí)際中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，于是許多研究人員加入了對壓電陶瓷性能及應(yīng)用的研究中。但是該研究人員還指出，在實(shí)際應(yīng)用中，壓電發(fā)電裝置很難達(dá)到理想狀態(tài)的 35%轉(zhuǎn)化效率，目前所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換效 率在 25%30%之間。所設(shè)計的微型發(fā)電裝置的核心器件是懸臂支撐的矩形壓 電振子，依靠對其施加周期的均勻載荷使其發(fā)生形變而產(chǎn)生電荷。 美國科學(xué)家 Elvin（ 2020）認(rèn)為隨著電子產(chǎn)品功耗的不斷降低，利用能量收集裝置將環(huán)境中的能量收集起來用來充當(dāng)無線發(fā)射器的電源 將成為可能。 國外壓電發(fā)電的應(yīng)用 1． 利用壓電材料進(jìn)行鞋中能量收集 美國麻省理工大學(xué)教授 Kymissis(1999)利用兩種不同的壓電材料去收集環(huán)境中損失的能量，特別是收集人行走時克服重力所損失的能量。并且得出壓電振子在諧振工作條件下給一個 40mAh 電池充電時間不到 1 小時，利用隨機(jī)頻率充電需要 1 個半小時的結(jié)果 [7]。普里亞為解決無線網(wǎng)絡(luò)電子“節(jié)點(diǎn)”供電問題發(fā)明了一種壓電袖珍風(fēng)車，這種袖珍風(fēng)車周長大約為 10 厘米，附在一個旋轉(zhuǎn)凸輪上，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時可使一系 列壓電晶體不斷伸縮。使用 10 厘米渦輪的常規(guī)發(fā)電機(jī)僅能將可利用風(fēng)能的 1%直接轉(zhuǎn)化為電能。 4． 無源安全帶檢測裝置 阿爾卑斯電氣公司開發(fā)了一種無源安全帶檢測裝置，解決車內(nèi)布線難的問題。 圖 13壓電袖珍風(fēng)車 圖 14 無源安全帶檢測裝置 5． 壓電發(fā)光扇 壓電發(fā)光扇，它包括扇把、扇面，其特征在于扇把是一中空的桿體，其中設(shè)有下端與扇把固定連接、上端相對扇把兩側(cè)可自由擺動的印刷電路板，印刷電路板的兩側(cè)面上分別縱向貼置壓電陶瓷片；扇面通過燈罩固設(shè)在印刷電路板的上端；印刷電 路板的上端焊接數(shù)只發(fā)光二極管。其內(nèi)部裝有壓電轉(zhuǎn)換元件、鋼球和 6 個 LED（發(fā)光二極管）。通過對壓電振子的分析，采用了懸臂式支撐結(jié)構(gòu)和沖擊式激勵方式組成了壓電發(fā)電裝置。響壓電振子發(fā)電能力的因素有很多，如激振頻率、支撐方式、壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)等，本節(jié)從理論上全面對壓電振子進(jìn)行了分析，從而準(zhǔn)確評價各因素對壓電振子發(fā)電能力的影響。 壓電材料的主要特性參數(shù)有： 1． 壓電常數(shù) : 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 5． 電阻 : 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。當(dāng)今廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷是 PZT，即 Pb(Zr,Ti)O3 壓電陶瓷，其壓電效應(yīng)強(qiáng)，穩(wěn)定性好。電疇是子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。這時，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。由于壓電陶瓷本身硬且脆，所產(chǎn)生的位移很小，因而一般不把壓電陶瓷本身作為壓電振子直接使用，通常是把壓電陶瓷與某種彈性體連接在一起共同構(gòu)成振動體，將這種振動體稱為 復(fù)合壓電振子，一般常用的壓電振子分為矩形和圓片形兩種。另一部分是工作在自由受迫振動狀態(tài)，使壓電振子工作在非共振區(qū)，利用其靜態(tài)或動態(tài)變形進(jìn)行工作。此外，各種振動模態(tài)之間還存在著相互影響或耦合作用。但對于壓電發(fā)電選擇合適的振動方式是非常關(guān)鍵的，通常情況下選取彎曲振動方式，因?yàn)閺澢駝酉聣弘娬褡涌僧a(chǎn)生最大的撓度，有利于壓電發(fā)電。的混合梁是依靠外界輸入力來使其振動，它可以看作是一個具有阻尼、有效質(zhì)量和剛度的彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。壓電振子支撐方式（或邊界條件）不同，其工作方式及能量輸出特點(diǎn)將有較大差異。矩形壓電發(fā)電元件多采用此方式。圓片形壓電振子常采用簡支支撐方式。該發(fā)電方式發(fā)電能力較弱，但具有較長的振動持續(xù)時間，可以用來吸收環(huán)境振動能量，不需要人的參與便可實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，提供持續(xù)的電能，可與微電子器件集成一體，充當(dāng)其電源。該發(fā)電方式能產(chǎn)生瞬間的高壓、大電流，其發(fā)電量可以點(diǎn)亮數(shù)十個 mW 級的發(fā)光二極管。其關(guān)鍵因素是作用力的大小及作用時間，其產(chǎn)生的電能與施加振幅的強(qiáng)度同步。 多片壓電振子聯(lián)接方式 為增強(qiáng)發(fā)電裝置的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子并聯(lián)或者串聯(lián)的方式。 U′ =2U （ 2— 2） 由上述分析可知，壓電振子并聯(lián)時輸出電荷多，而串聯(lián)時輸出電壓高。在壓電復(fù)合懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)中，影響其發(fā)電能力的主要因素是壓電振子的固定位置以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此在壓電振子物理和結(jié)構(gòu)參數(shù)選定的情況下，如何設(shè)計壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)來提高其發(fā)電能力是要解決的一個比較關(guān)鍵問題。 圖 214 壓電發(fā)電裝置簡易結(jié)構(gòu)圖 實(shí)驗(yàn)測試該裝置在每次動作時所輸出的電壓（外接 100 KΩ）如圖 215 所示。 撞擊裝置 PZT xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 212 1 1 1( ) /( ( ) ( ) /( ) )1 0 0 % 1 0 0 %mnnno u t n n n n n ninV V RP F F d d t tPm??? ? ? ??? ? ?? ? ? ?? （ 2— 3） 這里： V 是電阻、 R 兩端輸出電壓、 F 是作用在力、 d 是端部位移、 t 是不同點(diǎn)值間的時間增量、 n 是數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、 m 是測量次數(shù)通過以上的設(shè)計和分析，設(shè)計的壓電發(fā)電裝置如圖 216 和 217，其工作原理就是通過撞擊裝置來實(shí)現(xiàn)壓電振子產(chǎn)生彎曲變形而發(fā)電。為使功耗降到最低，所有器件均采用貼片式。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 第 3章 壓電振子實(shí)驗(yàn)分析 為深入研究壓電振子的發(fā)電性能，本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)對影響矩形和圓片形壓電振子發(fā)電能力的因素進(jìn)行了分析；同時實(shí)驗(yàn)研究了壓電振子串并聯(lián)情況下的電壓輸出特性；總結(jié)了矩形和圓片形壓電振子的能量輸出特點(diǎn)。測試的具體過程為：通過功率放大器控制激振器產(chǎn)生振動信號作用在壓電振子上，位移傳感器用來檢測壓電振子的振幅，利用數(shù)字示波器來檢測壓電振子在不同條件下所產(chǎn)生的電信號。實(shí)驗(yàn)條件：壓電振子自由端部位移相同；外接 100KΩ電阻負(fù)載。頻率 20Hz 時，厚度 壓電振子輸出功率約為 103W，厚度 壓電振子輸出功率約為 103W。在理論分析中，壓電振子輸出電壓 (功率 )與厚度成正比例關(guān)系，而在實(shí)驗(yàn)中 所得結(jié)論與理論不相符合，這可能是因?yàn)槔碚摲治鍪窃诩僭O(shè)壓電振子工作在諧振狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)是在不同頻率下進(jìn)行的，因此所測結(jié)果與理論分析的有所不同。由此可見厚度比對壓電振子功率輸出的影響很大。 0 6 002 06 02 0 4 0長 度 L ( m m )功率(P103W)4 0 圖 33 晶片長度 電壓輸出特性曲線 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 從圖 33 可以看出，在壓電振子端部施加相同的位移，輸出功率隨壓電晶片長度的增加而減小，這與理論分析中壓電振子輸出功率與長度成反比的結(jié)論完全吻合。 012345601 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0壓 電 振 子 寬 度 b ( m m )功率(P103W)2 0 H z1 5 H z1 0 H z5 H z 圖 34 晶片寬度 電壓輸出特性曲線 從圖中可以看出，對于寬度不同的壓電振子，當(dāng)在其端部施加相同位移時，壓電振子輸出功率是隨著寬度的增加而逐漸增大，輸 出功率近似的與寬度呈線性關(guān)系。從圖中還可以看出，厚度 的壓電振子輸出功率最大，從而也驗(yàn)證了厚度對壓電振子功率輸出影響的實(shí)驗(yàn)是正確的。比如在懸臂支撐條件下，沖擊力就可以作用在壓電振子的自由端；但是在簡支支撐條件下，沖擊力如果直接作用在壓電振子上，就會使壓電陶瓷產(chǎn)生破壞，因此就要采取增大沖擊接觸面積或者按壓沖擊的方式來降低外界沖擊力對陶瓷的破壞。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查 ，1990 年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。在半導(dǎo)體技術(shù)的支 持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、 PN 結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在 5～ 40 微伏／ ℃ 之間。 溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。 溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量～ 300K 范圍內(nèi)的溫度。輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。至于氣體和液體介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。對于 1800℃ 以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、 PN結(jié)溫度傳感器等。 PN 結(jié)溫度傳感器 PN 結(jié)溫度傳感器工作原理 ： 晶體二極管或三極管的 PN 結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。 同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。 數(shù)字式電壓表（ DVM）顯示。通過 PN 結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下： 1． 精度：讀數(shù)的 177。8V 6． 功耗： 8mW（ 177。 圖 42 MC14433 芯片圖 MC14433 的引腳說明： 1． Pin1(VAG)— 模擬地，為高科技阻輸入端，被測電壓和基準(zhǔn)電壓的接入地。 3． Pin3(Vx)— 被測電壓的輸入端， MC14433 屬于雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 。如果在積分器反向積分周期之前， DU 端輸入一個正跳 變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)選擇后輸出。 8． Pin12(VEE)— 負(fù)電源端。除 CLK0 外，所有輸出端均以 Vss 為低電平基準(zhǔn)。 12． Pin1 1 1 19(DS DS DS DS1)— 多路選通脈沖輸出端。該 A/D轉(zhuǎn)換器以 BCD 碼的方式輸出，通過多路開關(guān)分時選通輸出個位