【文章內容簡介】 電技術的發(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電系統(tǒng)的一個重要分支，而微機電系統(tǒng)（MEMS）則是二十一世紀的研究領域之一。微機電系統(tǒng)主要包括兩個方面，微結構單元加工技術及微系統(tǒng)集成技術。微結構單元加工技術是用于制造為組件中的微米級的物件；微系統(tǒng)集成技術是將微組件集成在一起，并對其進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，壓電技術在濾波器、變壓器及加速度傳感器中得到了廣泛的應用，隨著研究的不斷深入，必定將進一步推動微能源技術的發(fā)展。近十多年來，隨著壓電變壓器的設計、制作以及應用等方面的迅速發(fā)展，已成功應用于筆記本電腦中。 三種振動能量收集方式比較轉換類型優(yōu)點缺點能量密度(mJ/cm3)靜電式電壓輸出高較好的MEMS兼容性結構設計復雜需要啟動電源4電磁式技術成熟無需啟動電源結構較為簡單難以由MEMS技術實現(xiàn)體積大輸出電壓低壓電式易于由MEMS技術實現(xiàn)輸出能量密度大結構簡單，無需啟動電源，無電磁干擾單個壓電發(fā)電機輸出電能有限轉換效率較低阻抗大，難于實現(xiàn)與負載的阻抗匹配2) 與旋轉機械相結合目前的研究中，能量捕獲裝置基本上都是將周圍環(huán)境中的機械振動能量轉換成電能，為了控制機械振動中的噪聲以及降低機械零件部件的疲勞損傷，設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，但是旋轉機械具有大量可轉換的動能，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備提供電量。當前，已經研究出的通過旋轉機械獲取能量的研究裝置主要有高速公路隧道中的視線導航標識等，但這類研究依然很少，因此，將壓電發(fā)電技術與旋轉機械相結合的研究將成為下一步的研究重點。3) 實現(xiàn)設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)自供電的關鍵，未來的能量捕獲技術將會以能量的捕獲、存儲以及應用電路為主要研究方向，解決無線傳感網絡、嵌入式傳感器等供電問題。若將能量捕獲裝置和狀態(tài)檢測設備集成，構成獨立自供電、自感應單元，實現(xiàn)結構健康監(jiān)控，將進一步推動能量捕獲方法從實驗室向實用發(fā)展。在一些特殊的場合，需要設備自供電運行，而自供電的關鍵技術是其能量捕獲。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和逆壓電效應可以設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，受到越來越多的關注。 能量收集電路與能量轉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)電機進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械能電能的轉換效率進行了研究。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載，壓電振動能量收集器與電阻負載直接相連，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換效率最大可以達到52%。接著，Roundy設計并分析了兩種結構的懸臂梁式壓電發(fā)電機的能量轉換效率，通過對比發(fā)現(xiàn)理論轉換效率比實驗結果高出了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，結果發(fā)現(xiàn)，能量轉換效率主要由壓電材料的品質因數(shù)和機電耦合系數(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換效率的，而且其輸出為交流電壓。但是，幾乎所有的電子設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、濾波電容和負載電阻組成，如(b)所示。由于壓電振動能量收集器經過ACDC之后能直接輸出直流電壓，因此對以ACDC負載電路為基礎的能量收集電路的研究較為廣泛。Ottman設計了一種降壓開關電路，并實驗證明了在線性負載和弱耦合的情況下，這種開關電路能夠將壓電振動能量收集器的輸出功率提高400%。Shu對比分析了強耦合和弱耦合下壓電發(fā)電機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阻尼(synchronized switch damping, SSD)的非線性技術。SSD非線性技術首先由Richard提出來，他指出，為了提高壓電設備的能量傳輸效率，一般都在傳輸電路上添加一個電感來調節(jié)負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實現(xiàn)阻抗匹配。Richard的團隊以此SSD技術為基礎，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電路能夠將在ACDC能量收集電路下的輸出功率提升400~900%。然而，該團隊在分析中假設壓電發(fā)電機的位移和輸出電壓是同相位的，這就導致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實際應用時，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負載電路條件下壓電振動能量收集器的電能輸出特性。結果表明，壓電發(fā)電機在串聯(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，如果考慮開關電路使電壓反轉過程中的損耗，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研究的基礎上，雖然其他研究者也對SSHI能量收集電路進行了更為詳細的補充和完善，但是大部分研究都只停留在理論分析層面上，涉及到仿真或實驗的研究較少。圖 串聯(lián)和并聯(lián)SSHI能量收集電路2 壓電發(fā)電技術機理研究 壓電能量轉換基本理論 壓電效應壓電發(fā)電技術是以壓電材料特有的壓電效應來實現(xiàn)的，壓電效應反映了一些晶體材料的彈性性能與介電性能之間的機電耦合過程。1880年J. 居里和P. 居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應。他們發(fā)現(xiàn)，a 石英晶體在外力作用下發(fā)生形變時，其內部會產生電極化，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，如圖 (a)所示。振動式能量收集器就是利用正壓電效應將機械能轉換成電能的。與正壓電效應對應的是逆壓電效應，它是指將某些晶體材料置于外電場中，電場使晶體內部正負電荷中心發(fā)生相對位移，導致形變，從而由“電”產生“機械形變”的現(xiàn)象，如圖 (b)所示。逆壓電效應反映了壓電材料具有將電能轉變成機械能的能力，因此利用逆壓電效應一般可以制成壓電式位移或力執(zhí)行器。圖 正逆壓電效應示意圖目前已出現(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，它的突出特點是性能穩(wěn)定、機械強度高，而且絕緣性能好，但是它的壓電系數(shù)較小，且價格較貴，一般僅用在標準儀器的制作中。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、機械強度高、機械剛度大、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，目前在制動器和傳感器中被廣泛應用。因此，本文以PZT壓電陶瓷材料為基礎，對壓電振動能量收集器進行分析研究。 壓電方程在對壓電材料的能量轉換機制的研究中，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和電學邊界狀態(tài)。從機電耦合的角度來說，壓電材料能夠處于不同的機械邊界條件和電學邊界條件，機械邊界條件有兩種：機械自由和機械夾持。所謂機械自由是指壓電材料可以自由變形，此時的應力為零或常數(shù)；機械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時的應變?yōu)榱慊虺?shù)。電學邊界條件也有兩種：電學短路和電學開路。電學短路是指連接兩個電極的外電路中的電阻遠遠小于壓電陶瓷的內阻，此時的電場強度為零或為常數(shù)；而電學開路是指連接兩個電極的外電路中的電阻遠遠大于壓電陶瓷的內阻，此時的電位移為零或為常數(shù)。將兩種機械邊界條件和兩種電學邊界條件進行組合，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量(, )與電學量(, )之間的相互關系。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和電學參數(shù)的獨立分量的個數(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(表示常數(shù))第一類邊界條件機械自由和電學短路；第二類邊界條件機械夾持和電學短路；第三類邊界條件機械自由和電學開路；第四類邊界條件機械夾持和電學開路；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，壓電片的長度遠大于其寬度和厚度。當懸臂梁振動時，壓電片的中心受到束縛，而兩端是自由端，因而采用機械自由電學短路的第一類壓電方程來描述較為方便。當壓電材料處于第一類邊界條件時，選擇應力和電場強度為自變量，應變和電位移為因變量，得到相應的第一類壓電方程為： (）也可以表示為： （）：為應變，為應力，d為壓電介質的壓電應變常數(shù)矩陣，D為電位移，E為電場強度，Y為彈性模量。目前已經有很多研究者研究了壓