【正文】 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. 無線壓電開關(guān) 如圖17 所示，德國 Enocean 公司發(fā)明了可以安裝在建筑物任何地方，無線且不用電源的無線壓電電燈開關(guān)。在每一個(gè)發(fā)射器中都有特定的編碼， 圖 17 無線壓電開關(guān) 使開關(guān)與電燈一一對應(yīng)。在無障礙物的情況下，信號傳遞的距離可以達(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）。其原理就是通過鋼球下落時(shí)撞擊壓電轉(zhuǎn)換元件來發(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導(dǎo)航標(biāo)識 圖 110 壓電發(fā)光扇 圖 111 壓電發(fā)光鞋5. 壓電發(fā)電鞋 國外所研究的壓電發(fā)電大多屬于人力發(fā)電機(jī)（Human Powered Generator），對“壓電發(fā)電鞋”研究的報(bào)道最多，這種發(fā)電裝置的發(fā)電功率可滿足野外軍事行動(dòng)中通訊聯(lián)絡(luò)和無線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)線等電子元器件組成。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一些電子元件變成為高壓電流通過水下電纜送到岸上。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)。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)使它對光電子的吸收區(qū)從近紫外擴(kuò)延到可見光段。壓電陶瓷和單晶體的石英晶體不一樣，它是經(jīng)過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，可以針對它的化學(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。針對電聲換能器，它的諧振頻率的溫度穩(wěn)定性包含的問題沒有壓電振子那么明顯，但是對于電聲換能器來說k 值大、εr大是非常大的優(yōu)勢。 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有最大的產(chǎn)量。這里有很多是應(yīng)用在傳感器方面的?，F(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，2000 年的壓電陶瓷產(chǎn)品在全球約有超過 30 億美元的銷售額。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)對肌肉施加外力時(shí)，肌肉產(chǎn)生電荷對人的大腦反饋信號，相反，當(dāng)大腦借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電荷信號反映到肌肉上時(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。壓電陶瓷受到電場作用會(huì)有一定的形變，此效應(yīng)稱作電致伸縮效應(yīng)。為了產(chǎn)生和電場強(qiáng)度是線性關(guān)系的形變，需要在晶片上施加一個(gè)很大的直流電場，即極化電場（1～4kV/mm）。由此形變與電場近似呈線性比例關(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，然后待溫度冷卻到室溫再撤去電場。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)橥饨珉妶龅母蓴_，在晶體內(nèi)部有電極化產(chǎn)生的現(xiàn)象稱為正壓電效應(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)力線性變化。反之，將一交變電場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)去掉電場后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮現(xiàn)象。當(dāng)電場強(qiáng)度不是太大時(shí)，應(yīng)變和外部電場之間呈線性比例關(guān)系。壓電敏感元件有厚度、長度、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)自由電荷來自于外界或內(nèi)部遷移過來，形成了所謂的電偶層，如圖 23（b）所示。以前遷移過來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有壓電性，但對外表現(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。 相對介電常數(shù)ε 相對介電常數(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)，相對介電常數(shù)ε要小，反之要大一些，相對介電常數(shù)可由下式得出： 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ε1500。其值定義為(在線性彈性變形之內(nèi))： 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，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)稱為居里溫度 TC。其尺寸與諧振頻率乘積為常數(shù)，稱為頻率常數(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)開路組合而成，四類邊界條件對應(yīng)四類壓電方程（1） 第一類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 和電場強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)變 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)對應(yīng)的系數(shù)。（2）第二類壓電方程組 邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)短路，應(yīng)變 S 和電場強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)力 T和電位移 D 為因變量： (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；εS為夾緊壓電常數(shù)。（4）四類壓電方程組 (24)式中，h－壓電系數(shù)；CD為開路彈性剛度系數(shù)；βS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彈性體連接在一起共同構(gòu)成壓電振子，其特點(diǎn)是變形相對較大、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) 垂直于電場方向的伸縮振動(dòng)（長度伸縮），簡稱為LE模；(b) 平行于電場方向的伸縮振動(dòng)（厚度伸縮），簡稱為TE模；(c) 垂直于電場平面內(nèi)的面內(nèi)剪切振動(dòng)（面切變，又稱輪廓切變），簡稱為F模；(d) 平行于電場平面內(nèi)的面內(nèi)剪切振動(dòng)（厚度切變），簡稱為TS模。壓電發(fā)電裝置中的壓電振子為了形成需要的運(yùn)動(dòng)，通常使用這三類振動(dòng)形式中的兩種或一種，通過兩個(gè)以上方向的振動(dòng)加以組合以達(dá)到目的。 壓電振子的等效電路壓電振子能受外加交變信號的激勵(lì)而形成振動(dòng)。 任何一個(gè)壓電振子都具有一定的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力， 圖 25 六端機(jī)電網(wǎng)絡(luò) 是一種典型的機(jī)電換能系統(tǒng)。 對于不同振動(dòng)模式的壓電振子，由壓電方程和運(yùn)動(dòng)方程都可導(dǎo)出對應(yīng)的機(jī)電網(wǎng)絡(luò)，再根據(jù)力學(xué)邊界條件并通過力電類比得到等效電路。在這個(gè)等效電路中各個(gè)參數(shù)的意義介紹如下： 圖 26 等效電路L1為等效電感，也稱為動(dòng)態(tài)電感或內(nèi)電感。 在驅(qū)動(dòng)信號頻率較高的情況時(shí)，可以將壓電陶瓷等效為一個(gè)電容來分析電路，事實(shí)上多數(shù)應(yīng)用場合都可以滿足這一規(guī)律。Ct 為壓電陶瓷等效電容， Rt為絕緣電阻，絕緣電阻Rt 一般在109～1014 歐姆之間，可認(rèn)為是開路的，所以電荷Q對電容Ct 充電，充電電壓為。 (a) 電荷等效電路 (b) 電壓等效電路圖 27壓電陶瓷電特性等效電路壓電陶瓷的最佳工作狀態(tài)位于諧振頻率區(qū)域。諧振狀態(tài)的出現(xiàn)在電源回路的表現(xiàn)為：壓電陶瓷的電阻抗最小，電流最大。如圖28所示，其中fm為諧振頻率，fn為反諧振頻率。圖29(a)所示的懸臂支撐，這種方式可產(chǎn)生最大的撓曲和柔(a) 懸臂 (b) 兩端頂(c) 剛性支撐 (d) 簡支支撐(e) 自由支撐圖 29 壓電彎曲元件支撐方式順系數(shù)，同時(shí)具有較低的諧振頻率。剛性夾持（圖 29(c)）是不適用的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致元件的機(jī)電耦合極低。該器件適用于在電濾波器網(wǎng)絡(luò)中用作諧振器，因?yàn)樵陔姙V波網(wǎng)絡(luò)中通常希望品質(zhì)因素要高。壓電振子分為慣性自由振動(dòng)式、沖擊自由振動(dòng)式、強(qiáng)制振動(dòng)式三種主要的激勵(lì)方式，它們都能使壓電振子發(fā)電。這種發(fā)電方式能得到的電量較小，但能在較長的時(shí)間里持續(xù)振動(dòng)，能夠?qū)h(huán)境中的能量吸收起來，沒有人為力量即可以完成能量的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)供應(yīng)?？梢詰?yīng)用在高速公路隧道內(nèi)的視線導(dǎo)航標(biāo)識等方面。如圖 211 所示。如圖 212所示。尤其適用于長時(shí)期的野外作業(yè)或一些邊遠(yuǎn)的山區(qū)。在對壓電振子的支撐和激勵(lì)方式進(jìn)行選擇時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況來定，通常矩形壓電振子一般采用懸臂支撐方式與沖擊激勵(lì)的方式。圖 212強(qiáng)制振動(dòng) 壓電振子的工作原理1. 壓電振子的聯(lián)接方式 為了壓電發(fā)電裝置在較小的激勵(lì)強(qiáng)度、較寬的頻率范圍內(nèi)都具有發(fā)電能力，可以采用多個(gè)壓電振子并聯(lián)或串聯(lián)的壓電振子結(jié)構(gòu)方式。 圖 213 壓