【文章內(nèi)容簡介】 電技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個方面展開。1) 向微能源器件發(fā)展微能源器件是微機(jī)電系統(tǒng)的一個重要分支，而微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）則是二十一世紀(jì)的研究領(lǐng)域之一。微機(jī)電系統(tǒng)主要包括兩個方面，微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)及微系統(tǒng)集成技術(shù)。微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)是用于制造為組件中的微米級的物件；微系統(tǒng)集成技術(shù)是將微組件集成在一起，并對其進(jìn)行信號的控制與處理，同時提供外部宏觀接口。壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力一般在微瓦到毫瓦之間，雖然電力比較小，但足以滿足對微功耗系統(tǒng)的供電。目前，壓電技術(shù)在濾波器、變壓器及加速度傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著研究的不斷深入，必定將進(jìn)一步推動微能源技術(shù)的發(fā)展。近十多年來，隨著壓電變壓器的設(shè)計、制作以及應(yīng)用等方面的迅速發(fā)展，已成功應(yīng)用于筆記本電腦中。 三種振動能量收集方式比較轉(zhuǎn)換類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)能量密度(mJ/cm3)靜電式電壓輸出高較好的MEMS兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜需要啟動電源4電磁式技術(shù)成熟無需啟動電源結(jié)構(gòu)較為簡單難以由MEMS技術(shù)實現(xiàn)體積大輸出電壓低壓電式易于由MEMS技術(shù)實現(xiàn)輸出能量密度大結(jié)構(gòu)簡單，無需啟動電源，無電磁干擾單個壓電發(fā)電機(jī)輸出電能有限轉(zhuǎn)換效率較低阻抗大，難于實現(xiàn)與負(fù)載的阻抗匹配2) 與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相結(jié)合目前的研究中，能量捕獲裝置基本上都是將周圍環(huán)境中的機(jī)械振動能量轉(zhuǎn)換成電能，為了控制機(jī)械振動中的噪聲以及降低機(jī)械零件部件的疲勞損傷，設(shè)備的振動都在盡力的抑制，這使得能量捕獲裝置從振動能中獲取能更為困難，但是旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有大量可轉(zhuǎn)換的動能，即使是效率比較低的壓電發(fā)電裝置也可以為大部分電子設(shè)備提供電量。當(dāng)前，已經(jīng)研究出的通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械獲取能量的研究裝置主要有高速公路隧道中的視線導(dǎo)航標(biāo)識等，但這類研究依然很少，因此，將壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相結(jié)合的研究將成為下一步的研究重點(diǎn)。3) 實現(xiàn)設(shè)備自供電便攜式和無線式電子市場日趨壯大成熟，其中能量捕獲是其實現(xiàn)自供電的關(guān)鍵，未來的能量捕獲技術(shù)將會以能量的捕獲、存儲以及應(yīng)用電路為主要研究方向，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器等供電問題。若將能量捕獲裝置和狀態(tài)檢測設(shè)備集成，構(gòu)成獨(dú)立自供電、自感應(yīng)單元，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，將進(jìn)一步推動能量捕獲方法從實驗室向?qū)嵱冒l(fā)展。在一些特殊的場合，需要設(shè)備自供電運(yùn)行，而自供電的關(guān)鍵技術(shù)是其能量捕獲。而壓電發(fā)電材料在這方面有著顯著地優(yōu)良特性，利用壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以設(shè)計制作出各類檢測裝置與控制傳感器，已滿足不同場合的需求。壓電材料這一突出性能使其消除了工作環(huán)境的限制，受到越來越多的關(guān)注。 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率由于壓電振動能量收集器本身輸出的電能有限，因而在對壓電發(fā)電機(jī)進(jìn)行理論建模和仿真分析的同時，一些研究人員也對如何提高其機(jī)械能電能的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究。又因為壓電振動能量收集器自身的阻抗較大，因而對其能量轉(zhuǎn)換效率的研究主要集中在其后續(xù)能量收集電路的研究上。最早的能量收集電路被稱為RAC型(或消耗型)電路，這種電路中只有一個電阻負(fù)載，壓電振動能量收集器與電阻負(fù)載直接相連，如(a)所示。由于RAC型能量收集電路最為簡單，因而對壓電振動能量收集器的最初研究都以此電路為主。以上文獻(xiàn)中大部分都將振動源等效成一個單一的簡諧信號，而且為了得到最大的電能輸出功率，要求整個能量收集器工作于其固有振動模式下。Jiang發(fā)現(xiàn)，振動源頻率與能量收集器固有頻率的微小偏移會引起整個輸出功率的大幅下降，因而就出現(xiàn)了對調(diào)節(jié)壓電振動能量收集器的固有頻率，從而使其與環(huán)境振動源振動頻率匹配的方法研究。在此基礎(chǔ)上，Umeda通過理論和仿真分析得出，在沖擊振動的激勵下，壓電振動能量收集器的能量轉(zhuǎn)換效率最大可以達(dá)到52%。接著，Roundy設(shè)計并分析了兩種結(jié)構(gòu)的懸臂梁式壓電發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，通過對比發(fā)現(xiàn)理論轉(zhuǎn)換效率比實驗結(jié)果高出了30%。Cho對比分析了懸臂梁型、堆棧型和薄膜型的壓電能量收集器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換效率主要由壓電材料的品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)決定。然而，RAC型能量收集電路是以消耗壓電振動能量收集器的輸出電能來評估其能量轉(zhuǎn)換效率的，而且其輸出為交流電壓。但是，幾乎所有的電子設(shè)備都需要直流電壓才能正常工作，這就促使另一種ACDC型能量收集電路的產(chǎn)生。圖 兩種能量收集電路ACDC型能量收集電路由整流器、濾波電容和負(fù)載電阻組成，如(b)所示。由于壓電振動能量收集器經(jīng)過ACDC之后能直接輸出直流電壓，因此對以ACDC負(fù)載電路為基礎(chǔ)的能量收集電路的研究較為廣泛。Ottman設(shè)計了一種降壓開關(guān)電路，并實驗證明了在線性負(fù)載和弱耦合的情況下，這種開關(guān)電路能夠?qū)弘娬駝幽芰渴占鞯妮敵龉β侍岣?00%。Shu對比分析了強(qiáng)耦合和弱耦合下壓電發(fā)電機(jī)功率輸出的影響因素，并指出，最優(yōu)輸出功率的條件因耦合強(qiáng)度的不同而發(fā)生變化。近年來，Guyomar提出了一種能夠大幅提高壓電振動能量收集器輸出功率的新的能量收集電路，這種同步切換能量收集電路(synchronized switch harvesting on inductor, SSHI)來源于一種被稱為同步開關(guān)阻尼(synchronized switch damping, SSD)的非線性技術(shù)。SSD非線性技術(shù)首先由Richard提出來，他指出，為了提高壓電設(shè)備的能量傳輸效率，一般都在傳輸電路上添加一個電感來調(diào)節(jié)負(fù)載電路的阻抗從而實現(xiàn)輸入輸出的阻抗匹配，但是這種匹配電路在頻率較低時無法發(fā)揮作用。為此，接著他提出了另一種半阻尼的匹配電路，這種電路雖然需要消耗極少的電能來工作，但它能夠在較寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配。Richard的團(tuán)隊以此SSD技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了適合于提高壓電振動能量收集器輸出功率的SSHI電路，并從理論上證明了這種SSHI電路能夠?qū)⒃贏CDC能量收集電路下的輸出功率提升400~900%。然而，該團(tuán)隊在分析中假設(shè)壓電發(fā)電機(jī)的位移和輸出電壓是同相位的，這就導(dǎo)致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實際應(yīng)用時，壓電振動能量收集器并非總是工作于共振條件下。因此，Shu在2007年首次提出了關(guān)于在非共振條件下的SSHI電路的討論。Shu建立了串聯(lián)和并聯(lián)SSHI電路條件下的壓電振動能量收集器模型，如圖 。同時分析對比了ACDC、串聯(lián)SSHI和并聯(lián)SSHI負(fù)載電路條件下壓電振動能量收集器的電能輸出特性。結(jié)果表明，壓電發(fā)電機(jī)在串聯(lián)SSHI電路下的電能輸出與并聯(lián)SSHI電路條件下的截然不同。理想串聯(lián)SSHI系統(tǒng)的電能輸出特性與開路共振頻率下的強(qiáng)耦合ACDC電能收集系統(tǒng)的電能特性基本上相同的，而理想并聯(lián)SSHI系統(tǒng)的輸出電能與工作在短路共振頻率下的強(qiáng)耦合ACDC電能收集系統(tǒng)的電能特性類似。他同時指出，如果考慮開關(guān)電路使電壓反轉(zhuǎn)過程中的損耗，那么在中度耦合時串聯(lián)SSHI系統(tǒng)的輸出功率與ACDC系統(tǒng)是相反的，它的輸出功率幅值接近于理想最優(yōu)功率，而且其功率值隨著頻率的下降而減小的幅度較小。相對而言，在考慮損耗時，并聯(lián)SSHI系統(tǒng)的輸出功率相對頻率變化的敏感度要明顯大于串聯(lián)SSHI系統(tǒng)。在Shu研究的基礎(chǔ)上，雖然其他研究者也對SSHI能量收集電路進(jìn)行了更為詳細(xì)的補(bǔ)充和完善，但是大部分研究都只停留在理論分析層面上，涉及到仿真或?qū)嶒灥难芯枯^少。圖 串聯(lián)和并聯(lián)SSHI能量收集電路2 壓電發(fā)電技術(shù)機(jī)理研究 壓電能量轉(zhuǎn)換基本理論 壓電效應(yīng)壓電發(fā)電技術(shù)是以壓電材料特有的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)的，壓電效應(yīng)反映了一些晶體材料的彈性性能與介電性能之間的機(jī)電耦合過程。1880年J. 居里和P. 居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，a 石英晶體在外力作用下發(fā)生形變時，其內(nèi)部會產(chǎn)生電極化，同時在它的某些表面上會出現(xiàn)符號相反且與外力成正比的極化電荷，如果在晶體的兩個相對表面上涂上金屬電極，則可在金屬電極上檢測到感應(yīng)電荷或電勢，這種沒有電場作用，只是由外力作用而使晶體表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，如圖 (a)所示。振動式能量收集器就是利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的。與正壓電效應(yīng)對應(yīng)的是逆壓電效應(yīng)，它是指將某些晶體材料置于外電場中，電場使晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移，導(dǎo)致形變，從而由“電”產(chǎn)生“機(jī)械形變”的現(xiàn)象，如圖 (b)所示。逆壓電效應(yīng)反映了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的能力，因此利用逆壓電效應(yīng)一般可以制成壓電式位移或力執(zhí)行器。圖 正逆壓電效應(yīng)示意圖目前已出現(xiàn)的壓電材料大致可分為兩大類，一類是壓電單晶體，另一類是壓電陶瓷。前者的代表是石英晶體，它的突出特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高，而且絕緣性能好，但是它的壓電系數(shù)較小，且價格較貴，一般僅用在標(biāo)準(zhǔn)儀器的制作中。后者主要包括鈦酸鋇(BaTiO3)和鋯鈦酸鉛(PbZrTiO3，PZT)，相對BaTiO3而言，PZT具有壓電常數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大、靈敏度高、介電常數(shù)大、制作工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達(dá)到所要求的性能，而且成型工藝性好以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前在制動器和傳感器中被廣泛應(yīng)用。因此，本文以PZT壓電陶瓷材料為基礎(chǔ)，對壓電振動能量收集器進(jìn)行分析研究。 壓電方程在對壓電材料的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究中，對其邊界條件的界定是一個重要的方面，只有確定了邊界條件形式，才能決定壓電材料的力學(xué)和電學(xué)邊界狀態(tài)。從機(jī)電耦合的角度來說，壓電材料能夠處于不同的機(jī)械邊界條件和電學(xué)邊界條件，機(jī)械邊界條件有兩種：機(jī)械自由和機(jī)械夾持。所謂機(jī)械自由是指壓電材料可以自由變形，此時的應(yīng)力為零或常數(shù)；機(jī)械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時的應(yīng)變?yōu)榱慊虺?shù)。電學(xué)邊界條件也有兩種：電學(xué)短路和電學(xué)開路。電學(xué)短路是指連接兩個電極的外電路中的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓電陶瓷的內(nèi)阻，此時的電場強(qiáng)度為零或為常數(shù)；而電學(xué)開路是指連接兩個電極的外電路中的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓電陶瓷的內(nèi)阻，此時的電位移為零或為常數(shù)。將兩種機(jī)械邊界條件和兩種電學(xué)邊界條件進(jìn)行組合，可以得到壓電材料的四類不同邊界條件。根據(jù)下表所述的四類邊界條件，選擇不同的自變量和因變量從而得到四類壓電方程，它們反映了壓電材料中的力學(xué)量(, )與電學(xué)量(, )之間的相互關(guān)系。這四類壓電方程的形式會因壓電材料的不同而有所差別，這主要是因為不同壓電材料的對稱性不同，從而引起壓電方程中力學(xué)和電學(xué)參數(shù)的獨(dú)立分量的個數(shù)有所差別。表 壓電材料的四類邊界條件類別邊界條件特點(diǎn)(表示常數(shù))第一類邊界條件機(jī)械自由和電學(xué)短路；第二類邊界條件機(jī)械夾持和電學(xué)短路；第三類邊界條件機(jī)械自由和電學(xué)開路；第四類邊界條件機(jī)械夾持和電學(xué)開路；本文主要以懸臂梁式壓電振動能量收集器為研究對象，壓電片通過黏貼的方式貼在懸臂梁的表面，壓電片的長度遠(yuǎn)大于其寬度和厚度。當(dāng)懸臂梁振動時，壓電片的中心受到束縛，而兩端是自由端，因而采用機(jī)械自由電學(xué)短路的第一類壓電方程來描述較為方便。當(dāng)壓電材料處于第一類邊界條件時，選擇應(yīng)力和電場強(qiáng)度為自變量，應(yīng)變和電位移為因變量，得到相應(yīng)的第一類壓電方程為： (）也可以表示為： （）：為應(yīng)變，為應(yīng)力，d為壓電介質(zhì)的壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣，D為電位移，E為電場強(qiáng)度，Y為彈性模量。目前已經(jīng)有很多研究者研究了壓