【正文】 ，易于實現(xiàn)，可小型化。但利用壓電發(fā)電裝置發(fā)電存在每次動作時發(fā)電量有限的不足，從而制約了其在實際中的應用。 壓電發(fā)電的基礎研究工作主要是 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際應用中的理論問題，也為壓電陶瓷材料在更廣闊的范圍應用打下了堅實基礎。 本文著重研究壓電發(fā)電溫度傳感器，在壓電振子的分析中介紹了壓電效應和壓電材料。通過對壓電振子實驗分析，研究對壓電振子輸出功率的影響的各種因素。 關鍵詞 壓電振子；壓電發(fā)電裝置；溫度傳感器 xx 大學學士學位論文 II MicroPiezoelectric / Generator Integrated Temperature Sensor Abstract In recent years the use of piezoelectric materials for the study of energy harvesting is receiving increasing attention, the main reason is: First of all, the piezoelectric material is a kind of energysaving environmentally friendly materials, is to rely on outsiders to deformation and vibration generation。 Piezoelectric power generation device。 Abstract .................................................................................... 錯誤 !未找到引用源。以下列舉幾種新能源發(fā)電技術： 1． 太陽能發(fā)電技術 太陽 是地球永恒的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空發(fā)射約1020MW 能量，其中有 22 億分之一投射到地球上。在 8?14美、加大停電以及美國 9?11事件后，提醒人們不能過分依賴常規(guī)能源集中供電這種方式，利用太陽能的分布式能源系統(tǒng)受到重視。 太陽能發(fā)電的方式主要有通過太陽能熱發(fā)電的塔式發(fā)電、拋物面聚光發(fā)電、太陽能煙囪發(fā)電、熱離子發(fā)電、熱光伏發(fā)電、溫差發(fā)電等和不通過熱過程發(fā)電的光伏發(fā)電、光感應發(fā)電、光化學發(fā)電及光生物發(fā)電等兩種 。 2． 風力發(fā)電技術 風是由于空氣的流動而產(chǎn)生的，風具有一定的質量和速度 ， 因而它 具備產(chǎn)生能量的基本要素。風力發(fā)電系統(tǒng)是將風能轉換為電能的機械、電氣及其控制設備的組合 。所謂生物質，就是所有來源于植物、動物和微生物的除礦物燃料外的可再生的物質。 4． 地熱 發(fā)電技術 所謂地熱能，簡單的說，就是來自地下的熱能，即地球內(nèi)部的熱能。 、 5． 潮汐能發(fā)電技術 潮汐能是海洋能的一種。海洋是個龐大的能源寶庫，它既是吸 xx 大學學士學位論文 2 能器，又是貯能器，蘊藏著巨大的動力資源。潮汐能是海洋能的一種，潮 汐能是指海水漲潮和落潮形成的水的動能和勢能 。 6． 燃料電池發(fā)電技術 燃料電池不同于平時所說的干電池與蓄電池。 燃料電池發(fā)電也不同于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其燃料不經(jīng)過燃燒，沒有復雜的從燃料化學能轉化為熱能，再轉化為機械能，最終轉化成電能的過程，而是直接將燃 料 (天然氣、煤氣、石油等 )中的氫氣借助于電解質與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，在生成水的同時進行發(fā)電，因此其實質是化學能發(fā)電。利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置具有環(huán)保、結構簡單，成本低，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。 1880 年J居里兄弟發(fā)壓電陶瓷具有壓電性，即某些各向異性的晶體，在機械力作用下，產(chǎn)生形 變，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負束縛電荷 [ 2]。 壓電發(fā)電的概況及應用 壓電發(fā)電的概況 壓電發(fā)電的基礎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際應用中的理論問題，也為壓電陶瓷材料在更廣闊的范圍應用打下了堅實基礎。以下是對國外壓電發(fā)電理論研究的 介紹： 日本科學家梅田干雄等（ 1996， 1997）用一個自由落體的球去撞擊表面 +粘有壓電陶瓷的金屬薄板（壓電振子），并設計了一個等效的機電轉化電路模型，計算了該模型能夠產(chǎn)生電荷的數(shù)量，對利用整流橋和電容搭建的存儲電路進行了轉化效率方面的研究，計算得出這種存儲方法的最大轉換效率為 35%，是太陽能電池轉化效率的 3 倍多，同時分析得出：提高機械品質因數(shù)、機電耦合系數(shù)和降低介電損失可以進一步提高壓電發(fā)電裝置轉化效率。 [3]他們的工作實證了利用壓電發(fā)電裝置發(fā) xx 大學學士學位論文 3 電的高效性。 韓國科學家 JiYoon Kang 和 HyungJun Kim 提出了一種優(yōu)化設計壓電發(fā)電裝置方法，可以最大限度的提高微型壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。研究是在一定約束條件下進行的： 1． 在許用應力范圍內(nèi)； 2． 壓電振子工作在諧振區(qū)； 3． 壓電振子的寬度一定； 4． 壓電陶瓷晶片固定在懸臂梁的根部。而且從理論分析還得出當加大施加載荷時可以有效提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。他所設計的發(fā)電裝置是由一個貼有壓電陶瓷的梁構成，利用整流橋和電容收集壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電荷。由此證明，利用壓電發(fā)電為無線發(fā)射器供電是可行的。當人行走時，腳擊地的瞬間會產(chǎn)生一個加速度，這時沖擊力作用 在鞋墊上使其受壓，當人腳抬起時，鞋墊恢復了原狀，但鞋墊的恢復力遠遠沒有其所受的壓力大，在這個過程中就會有能量損耗。 2． 壓電發(fā)電型電池充電器 維基尼亞科學家 HENRY 等在比較利用電容存儲電能不足的前提下，第一 次證明了利用壓電材料制作的發(fā)電系統(tǒng)給電池充電的可行性。他們的研究結果使利用壓電材料進行能 xx 大學學士學位論文 4 量收集的方法更加趨于實用化，同時也擴大了其應用的范圍。 圖 11 壓電發(fā)電 圖 12 充電電路 3． 壓電袖珍風車 德克薩斯州大學的電子工程師沙克壓電材料當被擠壓或伸展時便會產(chǎn)生電能。與利用風力渦輪機為電網(wǎng)供電的常規(guī)發(fā)電機相比，這種壓電發(fā)電機 (袖珍風車 )的發(fā)電效率要更高一些。但一個壓電發(fā)電機的轉化效率則能達到 18%。如圖 13 所示。此裝置是通過 將壓電元件和無線電路嵌入到安全帶帶扣中，利用解下安全帶時的動作，對壓電元件施加壓力使其發(fā)電來驅動無線電路，就能向司機通報安全帶使用情況。 xx 大學學士學位論文 5 如圖 14 所示。人們在使用扇子的時候，通過壓電陶瓷受到反復擺動變形而產(chǎn)生的電能使發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生閃爍效果，使傳統(tǒng)扇子變得新奇、美觀大方，不需要使用電池，節(jié)能、環(huán)保、工作壽命長是這種扇子的最大優(yōu)點 [10]。 6． 高速公路隧道中的視線導航標識 該標識是直徑約為 ，外圍有扇葉。將其安裝在交通量大的公路隧道內(nèi)，利用汽車駛過時所形成的風力來帶動標識旋轉，通過鋼球反復撞擊壓電轉換元件發(fā)電來驅動發(fā)光二級管發(fā)光，以警示過往的 車輛 [11]。 xx 大學學士學位論文 6 圖 15 壓電發(fā)光扇 圖 16 導航標識及原理圖 論文研究內(nèi)容 本文著重研究壓電發(fā)電溫度傳感器，在壓電振子的分析中介紹了壓電效應和壓電材料。通過對壓電振子實驗分析，研究對壓電振子輸出功率的影響的各種因素。 xx 大學學士學位論文 7 第 2章 壓電發(fā)電技術 壓電振子分析 壓電振子 在壓電發(fā)電裝置中承擔著將機械能轉換為電能的作用，因此壓電振子的發(fā)電能力將決定壓電發(fā)電裝置的電能輸出能力，對壓電發(fā)電裝置的優(yōu)化設計實際就是對壓電振子的優(yōu)化設計。 壓電材料與壓電效應 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電 陶瓷。 2． 彈性常數(shù) : 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。 4． 機械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應中，轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機 — 電能量轉換效率的一個重要 參數(shù)。 6． 居里點溫度 : 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。鈦酸鋇（ BaTiO3） [12]陶瓷的發(fā)現(xiàn)促進了壓電材料的發(fā)展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多晶體材料，而且在壓電性能上也有了大幅度提高。 [1 14]它是由美國學者 1954 年發(fā)現(xiàn)的PbZrO3PbTiO3 二元系固溶體壓電陶瓷，其機械品質因數(shù)約為鈦酸鋇（ BaTiO3）陶瓷的兩倍。 壓電效應：壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造的多晶體壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一 端出現(xiàn)負束縛電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi) 極化強度對外界的作用，所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖 21 所示 。 陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。 xx 大學學士學位論文 9 圖 21 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附自 由電荷示意圖 圖 22 壓電效應 當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀 (這是一個膨脹過程 )，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)正壓電效應的第二年，也就是 1881 年，由李普曼在理論上預言，由居里兄弟在實驗上證實了另一種物理現(xiàn)象：若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖 22(b)所示 ，由 于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。 壓電振子 圖 23 是壓電振子的基本結構原理圖。本文在分析及實驗中采用的壓電陶瓷材料均是 PZT5，彈性體采用磷青銅。這些壓電器件一部分是工作在諧振態(tài)，也就是工作在某一頻率點，使器件自由電荷 束縛電荷 電極 電極 xx 大學學士學位論文 10 處于諧振狀態(tài)。無論是工作在諧振狀態(tài)還是工作在自由受迫振動狀態(tài)，都要對壓電振子的諧振特性加以研究，從而根據(jù)不同的應用場合采用不同的工作方式， 充分發(fā)揮各自特點。某一幾何尺寸的振子在特定條件（按所需方向極化、激勵和設置電極等）下，其用以完成機械能和電能相互轉換的振動方式多種多樣，通常把這種振動方式稱為振動模態(tài)。因此在設計壓電振 子時，除了選擇合適的陶瓷材料外，還要選擇合適的振子及其振動模態(tài) [1518]。當這些振動模式作用到壓電振子上時，將能產(chǎn)生彎曲振動、伸縮振動和扭轉振動。 圖 24 壓電陶瓷振動分類 壓電陶瓷片 彈性金屬片 單側型 壓電陶瓷片 彈性金屬片 壓電陶瓷片 雙側型 xx 大學學士學位論文 11 2． 壓電振子等效電路 對如圖 25 所示的懸臂支撐壓電振子系 統(tǒng)可以描述成如圖 26 所示的包括電和機械兩部分組成的等效電路。如圖 25 所示 。機械阻尼被看作是一個電阻，由于壓電效應，部分機械能轉變成電能，這個過程存在一個轉化效率Φ如圖 26 所示。 圖 25壓電振子懸臂梁結構 圖 26 壓電振子的等效電路 壓電振子支撐及激勵方式 壓電振子的支撐方式 壓電振子的支撐方式（或邊界條件）和結構尺寸是影響壓電振子發(fā)電能力的另一重要因素。通常，壓電振子有四種不同的邊界條件， 懸臂支撐、周邊固定支撐、自由邊界支撐、簡支支撐。 xx 大學學士學位論文 12 圖 27 壓電振子支撐方式 圖 (a)懸臂支撐：這種方式可產(chǎn)生最大的撓度，同時具有較低的諧振頻率。 圖 (b)周邊固定支撐：對于壓電陶瓷晶片自身，其周邊固定的機電耦合系數(shù)極低，不適合用于壓電發(fā)電 [20]。 圖 (d)簡支支撐：該方式壓電彎曲元件支撐在振動的波節(jié)上（即波節(jié)支撐），支撐的結構輕便、結實，而且裝置的損耗也降到最低程度。 壓電振子的激勵方式 使壓電振子發(fā)電的激勵方式 分為慣性自由振動式、沖擊自由振動式、強制振動式三種，因為激勵方式對壓電振子的發(fā)電性能影響很大，因此需要結合實際情況選擇不同的激勵方式。當在懸臂梁末端施加沖擊（或敲擊）時，壓電振子自由振動。其電壓輸出特性曲線如圖 29所示。 圖 28 慣性自由振動 PZT 沖擊 基板 質量塊 xx 大學學士學位論文 13 圖