【正文】 50）時(shí) ,所產(chǎn)生的電能可同時(shí)點(diǎn)亮 40 只二極管，這說(shuō)明利用壓電振子收集環(huán)境中的振動(dòng)能量是可行的。以壓電陶瓷為換能媒 介的壓電發(fā)電研究正處于開(kāi)發(fā)探索階段，它涉及機(jī)械、材料、電子等諸多學(xué)科，尚有大量的理論和試驗(yàn)研究需要解決。在壓電發(fā)電技術(shù)這一研究領(lǐng)域 ,國(guó)外的科學(xué)家們嘗試了多種壓電陶瓷發(fā)電方式 ,較成熟的主要有以下幾種方式 : 1. 慣性自由振動(dòng)式發(fā)電方式 懸臂梁式壓電振子的自由端附有集中質(zhì)量塊，構(gòu)成彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如圖 11 所示。慣性自由振動(dòng)方式發(fā)電能力較弱，但具有較長(zhǎng)的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。 2. 沖擊自由振動(dòng)式發(fā)電方式 如圖 13 所示，壓電振子以自由方式支撐，金屬球撞擊壓電振子，使之產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，產(chǎn)生電量。沖擊自由振動(dòng)發(fā)電方式的電流特性如圖 14所示。 1— 壓電晶片 2— 基板 3— 質(zhì)量塊 4— 外界激勵(lì) 圖 11 慣性自由振動(dòng)式發(fā)電方式 圖 12 慣性自由振動(dòng)發(fā)電方式的電流 時(shí)間圖像 圖 13 沖擊自由振動(dòng)式發(fā)電方式 圖 14 沖擊自由振動(dòng)發(fā)電方式的電流 時(shí)間圖像 3. 強(qiáng)制振動(dòng)式發(fā)電方式 如圖 15 所示，壓電振子以懸臂梁方式裝卡，自由端施加外力迫使壓電振子產(chǎn)生交替的彎曲變形，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?qiáng)制振動(dòng)發(fā)電方式主要適用于觸發(fā)式電子 設(shè)備供電系統(tǒng)中。 壓電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用 1. 無(wú)線(xiàn)壓電開(kāi)關(guān) 如圖 17 所示，德國(guó) Enocean 公司發(fā)明了可以安裝在建筑物任何地方，無(wú)線(xiàn)且不用電源的無(wú)線(xiàn)壓電電燈開(kāi)關(guān)。在每一個(gè)發(fā)射器中都有特定的編碼， 圖 17 無(wú)線(xiàn)壓電開(kāi)關(guān) 使開(kāi)關(guān)與電燈一一對(duì)應(yīng)。在無(wú)障礙物的情況下，信號(hào)傳遞的距離可以達(dá)到 300 米。壓電式力傳感器具有使用頻率上限高，測(cè)量范圍寬和體積小等優(yōu)點(diǎn)，適合于動(dòng)態(tài)力、特別是沖擊力的測(cè)量。內(nèi)部配置了壓電轉(zhuǎn)換元件和鋼球以及 6 個(gè) LED（發(fā)光二極管）。其原理就是通過(guò)鋼球下落時(shí)撞擊壓電轉(zhuǎn)換元件來(lái)發(fā)電。圓扇朝上扇的動(dòng)作傳導(dǎo)給壓電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行發(fā)電，使 LED 發(fā)光。由于壓電轉(zhuǎn)換元件的應(yīng)變方向會(huì)隨著扇扇子的方向而 變化，因此所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)極性就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。 圖 18 壓電式力傳感器 圖 19 高速公路隧道中的視線(xiàn)導(dǎo)航標(biāo)識(shí) 圖 110 壓電發(fā)光扇 圖 111 壓電發(fā)光鞋 5. 壓電發(fā)電鞋 國(guó)外所研究的壓電發(fā)電大多屬于人力發(fā)電機(jī)（ Human Powered Generator），對(duì)“壓電發(fā)電鞋”研究的報(bào)道最多，這種發(fā)電裝置 的發(fā)電功率可滿(mǎn)足野外軍事行動(dòng)中通訊聯(lián)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)電跟蹤電子裝置的使用需求，展示了壓電發(fā)電與能量存儲(chǔ)技術(shù)的光明前景。 6. 壓電點(diǎn)火器 壓電點(diǎn)火器發(fā)展至今已有二十多年的歷史，是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而點(diǎn)引燃燒物的裝置，是壓電陶瓷作機(jī)電換能材料使用的典型實(shí)例之一，其實(shí)物如圖 112 所示。根據(jù)傳遞機(jī)械力的方式，壓電點(diǎn)火器主要分為漸增 式和沖擊式，主要應(yīng)用于電子打火機(jī)、壓電高壓發(fā)生器、家用壓電陶瓷點(diǎn)火器等中。撞擊式壓電引信的目標(biāo)敏感裝置是由壓電元件和導(dǎo)線(xiàn)等景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 共 49 頁(yè) 電子元器件組成。引信的底部由電雷管、隔爆板、引爆管、傳爆藥柱和傳爆管等零部件組成。 圖 112 壓電點(diǎn)火器 圖 113 壓電引信 8. 海浪壓電發(fā)電系統(tǒng) 海浪壓電發(fā)電是把壓電聚合物安裝在海上的一個(gè)巨大的浮體和海底的錨之間的錨鏈內(nèi)，錨鏈把錨和浮體連在一起。這樣，海浪的“拉拉扯扯”就產(chǎn)生了一種低頻率的高壓電，這種低頻高壓電通過(guò)一些電子元件變成為高壓電流通過(guò)水下電纜送到岸上。泰 勒領(lǐng)導(dǎo)的科研小組已試制出了 1~10 千瓦的小型實(shí)驗(yàn)性海浪壓電發(fā)電系統(tǒng)。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 共 49 頁(yè) 2 壓電陶瓷基礎(chǔ)理論 壓電陶瓷作為壓電發(fā)電裝置的機(jī)械－電能換能元件，是壓電發(fā)電裝置的核 心元件，它的性能直接影響著壓電發(fā)電裝置的性能優(yōu)劣。 壓電陶瓷概述 壓電陶瓷及其應(yīng)用 壓電陶瓷自身的發(fā)展以及多種多樣的性能參數(shù)，使得分析和研究利用各種振動(dòng)模式及其制作器件在技術(shù)上的發(fā)展等因素?cái)U(kuò)大了它的應(yīng) 用范圍。根據(jù)目前情況看，壓電陶瓷在材料制件和器件上依然停留在發(fā)展階段。研制透明壓電陶瓷已有多年，一系列電光器件也已經(jīng)制成但是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓較高等各種問(wèn)題，應(yīng)用范圍還不是很普遍。使用活性離子注入技 術(shù)使它對(duì)光電子的吸收區(qū)從近紫外擴(kuò)延到可見(jiàn)光段。 壓電陶瓷和單晶體的石英晶體不一樣，它是經(jīng)過(guò)人工制造的一種常用的多晶體壓電材料。 以前的壓電陶瓷顯示中性，所以沒(méi)有壓電性質(zhì)，是一種非壓電體，由于在晶體中各個(gè)電疇分布上的雜亂無(wú)章抵消了存在的極化效應(yīng)。極化后的壓電陶瓷，它的壓電常數(shù)很高，通常是石英晶體的幾百倍。 PZT 材料（壓電鋯鈦酸鉛固溶體）因?yàn)樗膲弘娞匦院芨?，要想控制它，可以針?duì)它的化學(xué)性質(zhì)和進(jìn)行加工的方法，將其應(yīng)用在振動(dòng)及噪聲的主動(dòng)控制等一些不同的地方，是目前在各個(gè)方面被應(yīng)用的一種壓電陶瓷。 近年來(lái)出現(xiàn)了一些新型壓電材料如高聚物聚偏二氟乙烯（一般寫(xiě)為 PVDF 或 PVF2）它是一種非常柔軟的塑性薄膜，具有新的用途，是以前用的脆性又很貴的晶體 所不能達(dá)到的。若用它制成不同類(lèi)型的換能器將是一種比較好的新型換能材料，它有很多優(yōu)點(diǎn)即結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、重量輕、失真較小、穩(wěn)定性高等。它能使材料的一些壓電性能得到提高數(shù)倍，同時(shí)含有一般壓電陶瓷所沒(méi)有的優(yōu)良性質(zhì)。玻璃陶瓷是一種非鐵電體，它不會(huì)有很多鐵電材料的老化及去極化等各種問(wèn)題，可作為一種工作在高溫下的換能器。 壓電陶瓷有著廣泛的應(yīng)用，是基于它自身的壓電性和壓電性產(chǎn)生的多樣化的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能。壓電陶瓷材料通常有比較大的機(jī)電耦合系數(shù) k ，但是它的穩(wěn)定性及 mQ 都不是很理想。針對(duì)電聲換能器，它的諧振頻率的溫度穩(wěn)定性包含的問(wèn)題沒(méi)有壓電振子那么明顯，但是對(duì)于電聲換能器來(lái)說(shuō) k 值大、ε r大是非常大的優(yōu)勢(shì)。 壓電陶瓷在換能器方面的應(yīng)用，其比壓電振子方面的使用范圍要更廣。振動(dòng)計(jì)、壓力計(jì)、加速度計(jì)等是對(duì)陶瓷壓電體壓電性質(zhì)的直接利用。 上面都是用到正壓電效應(yīng)。在所有的換能器中此換能器景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 共 49 頁(yè) 有最大的產(chǎn)量。這里有很多是應(yīng)用在傳感器方面的。 現(xiàn)代社會(huì)，在生活的各個(gè)方面都有壓電技術(shù)的應(yīng)用，每個(gè)人很多時(shí)候都與壓電應(yīng)用息息相關(guān)。電子手表里用到的壓電諧振器 。商店、銀行及保密安全場(chǎng)所的監(jiān)控管理，以及偵察和破案等用到的壓電力敏傳感器即能對(duì)不同人的聲音上的特征和筆跡進(jìn)行驗(yàn)證等。壓電高壓發(fā)生器就是閃光燈里的應(yīng)用等等。據(jù)報(bào)道， 2020 年的壓電陶瓷產(chǎn)品在全球約有超過(guò) 30 億美元的銷(xiāo)售額。壓電陶瓷的研制成功加快了技術(shù)進(jìn)步、推動(dòng)著新型產(chǎn)業(yè)的形成和促使經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。在李普曼的理論預(yù)言的基礎(chǔ)上，居里兄弟采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)逆壓電效應(yīng)進(jìn)行了證實(shí)，同時(shí) 也得出了正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。舉一個(gè)例子，動(dòng)物身體上的肌肉就可以看作一個(gè)壓電體，當(dāng)對(duì)肌肉施加外力時(shí)，肌肉產(chǎn)生電荷對(duì)人的大腦反饋信號(hào)，相反，當(dāng)大腦借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電荷信號(hào)反映到肌肉上時(shí)，肌肉就會(huì)發(fā)生收縮變形。電疇有很多不同的極化方向。壓電陶瓷受到電場(chǎng)作用會(huì)有一定的形變，此效應(yīng)稱(chēng)作電致伸縮效應(yīng)。 為了產(chǎn)生和電場(chǎng)強(qiáng)度是線(xiàn)性關(guān)系的形變，需要在晶片上施加一個(gè)很大的直流電場(chǎng)，即極化電場(chǎng)（ 1～ 4kV/mm）。由此形變與電場(chǎng)近似呈線(xiàn)性比例關(guān)系。為了使極化變得更容易，常常采用加溫而極化的方法，即先使陶瓷加熱升溫至高于居里點(diǎn)的溫度后施加直流電場(chǎng)，然后待溫度冷卻到室溫再撤去電場(chǎng)。當(dāng)取消外力后又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，這種只因?yàn)閼?yīng)變或應(yīng)力的影響而不是因?yàn)橥饨珉妶?chǎng)的干擾，在晶體內(nèi)部有電極化產(chǎn)生的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)或壓電效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)力不是特別大時(shí)，壓電效應(yīng)引起的極化強(qiáng)度隨應(yīng)力線(xiàn)性變化。 反之，將一交變電場(chǎng)施加于壓電晶體上時(shí)，晶體發(fā)生機(jī)械變形，不僅有極化現(xiàn)象出現(xiàn)，而且還有應(yīng)變和應(yīng)力產(chǎn)生，當(dāng)去掉電場(chǎng)后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮現(xiàn)象。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不是太大時(shí)，應(yīng)變和外部電場(chǎng)之間呈線(xiàn)性比例關(guān)系。壓電敏感元件有厚度、長(zhǎng)度、體積變形型、厚度、平面切變型 5 種最基本的受力變形形式。比如石英晶體在體積變形下不具有壓電效應(yīng)，但是在長(zhǎng)度變形與厚度變形下有很好的壓電效應(yīng)。極化處理后，每個(gè)電疇的極化取向朝著外部電場(chǎng)的方向排列。但它表面上的束縛電荷迅速被自由電荷中和，這個(gè)自由電荷來(lái)自于外界或內(nèi) 部遷移過(guò)來(lái)，形成了所謂的電偶層，如圖 23（ b）所示。以前遷移過(guò)來(lái)的部分自由電荷被釋放后而有放電現(xiàn)象產(chǎn)生，沿極化方向陶瓷片有壓縮變形。同樣，當(dāng)在極化方向上陶瓷片有拉長(zhǎng)變形時(shí)，也會(huì)有充電現(xiàn)象產(chǎn)生，這就是所謂的壓電效應(yīng)。壓電陶瓷極化處理以后才具 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 共 49 頁(yè) 有壓電性，但對(duì)外表現(xiàn)為各向異性，也就是各項(xiàng)性能參數(shù)在不同方向上表現(xiàn)為 不同的數(shù)值。其主要的 相關(guān)參數(shù)如下： 機(jī)電耦合系數(shù) K 這是表示壓電體中機(jī)械能與電能之間相互耦合程度的一個(gè)參數(shù)，是衡量壓 電性能優(yōu)劣的一個(gè)綜合物理量。機(jī)電耦合系數(shù) K 值主要由壓電材料的種類(lèi)確定，還取決于壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)、工作條件以及壓電體的電極尺寸和位置。 機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm 壓電體作諧振振動(dòng)時(shí)，要克服內(nèi)部的機(jī)械摩擦損耗（內(nèi)耗），在有負(fù)載時(shí) 還要克服外部負(fù)載的損耗，與這些機(jī)械損耗相聯(lián)系的是機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm0（空載機(jī)械 Q 值）及 Qm（有負(fù)載時(shí)的機(jī)械 Q 值）。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗就越少。 相對(duì)介電常數(shù)ε 相對(duì)介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)。通常壓電元件在高頻狀態(tài)工作時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)ε要小，反之要大一些，相對(duì)介電常數(shù)可由下式得出： 真空狀 態(tài) 空 狀態(tài) 下的介 數(shù)壓電 陶瓷的自由介 電 常?ε 由于壓電發(fā)電裝置通常工作在超聲波頻率范圍內(nèi)，故常取ε 1500。其值定義為 (在線(xiàn)性彈性變形之內(nèi) )： 加在壓電陶瓷上的應(yīng)力 壓電陶瓷的應(yīng)變?S 壓電應(yīng)變常數(shù) d 當(dāng)在壓電陶瓷上施加電壓時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生某種變形，反映這種電學(xué)量與變形量 (或力學(xué)量 )之間的關(guān)系的就是壓電應(yīng)變常數(shù)。 壓電電壓常數(shù) g 另一個(gè)常用的壓電常數(shù)是電壓常數(shù) g，它表示內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的電場(chǎng)，或應(yīng) 變所引起的電位移的關(guān)系。 工作條件參數(shù) 這是限定壓電陶瓷工作范圍或規(guī)定工作條件的一類(lèi)參數(shù)，包括： 居里溫度 TC──壓電陶瓷在某一溫度以下方具有壓電性，其臨界溫度點(diǎn)稱(chēng)為居里溫度 TC。其尺寸與諧振頻率乘積為常數(shù)，稱(chēng)為頻率常數(shù) Nl。 壓電方程 在壓電彈性體中，機(jī)械效應(yīng)與電效應(yīng)是分不開(kāi)的，他們互相牽制，緊緊地耦合在一起。邊界條件由機(jī)械自由和機(jī)械夾持與電學(xué)短路和電學(xué)開(kāi)路組合而成，四類(lèi)邊界條件對(duì)應(yīng)四類(lèi)壓電方程 （ 1） 第一類(lèi)壓電方程組 邊界條件為機(jī)械自由和電學(xué)短路，應(yīng)力 T 和電場(chǎng)強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)變 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 共 49 頁(yè) S和電位移 D 為因變量。式中系數(shù)的上標(biāo)表示值為零時(shí)對(duì)應(yīng)的系數(shù)。 （ 2）第二類(lèi)壓電方程組 邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)短路，應(yīng)變 S 和電場(chǎng)強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)力 T和電位移 D 為因變量： ?????????EeSDEeSCTstE ? (22) 式中， T－應(yīng)力； CE－彈性剛度常數(shù)； e－壓電應(yīng)力系數(shù)； et－ e 的轉(zhuǎn)置；ε S為夾緊壓電常數(shù)。 （ 4）四類(lèi)壓電方程組 ??????????DhSEDhScTstD ? (24) 式中， h－壓電系數(shù)； CD為開(kāi)路彈性剛度系數(shù)；β S為夾緊倒介電常數(shù)； hth。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金屬?gòu)椥泽w連接在一起共同構(gòu)成壓電景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 共 49 頁(yè) 振子，其特點(diǎn)是變形相對(duì)較大、響應(yīng)快。后者是一種適用批量生產(chǎn)的新加工方法，但這種制作的壓電振子的性能指標(biāo)只有傳統(tǒng)粘結(jié)方法制作壓電振子的 1/6~~1/3 壓電振子的振動(dòng)模式 壓電振子是壓電發(fā)電裝置的核心元件，起著將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的作用。在設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)，除了根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的陶瓷材料，設(shè)計(jì)成合適的尺寸與結(jié)構(gòu)之外，還 要選擇合適的壓電振子振動(dòng)模式。 (a) 垂直于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)（長(zhǎng)度伸縮），簡(jiǎn)稱(chēng)為 LE 模； (b) 平行于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)（厚度伸縮），簡(jiǎn)稱(chēng)為 TE 模； (c) 垂直于電場(chǎng)平面內(nèi)的面內(nèi)剪切振動(dòng)（面切變，又稱(chēng)輪廓切變），簡(jiǎn)稱(chēng)為 F模；