氣流諧振壓電發(fā)電機用焊接環(huán)形壓電振子

林瑞娥，彭小麗，朱雅鵬，雷軍命

（西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

氣流諧振發(fā)電機是針對彈丸的工作環(huán)境而專門為引信設(shè)計的一種新式的物理電源。該發(fā)電機的氣流諧振腔位于引信頭部，氣流諧振帶動腔底的氣壓膜片振動，通過連桿將振動傳遞到C 形磁鐵間隙中的鐵質(zhì)簧片，簧片振動時永磁體上的線圈輸出電流，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，以高速氣流為能源的安全性等技術(shù)特性和優(yōu)勢。在諧振點時工作振動頻率不再隨速度增加而增加，振動發(fā)熱量也不再增加，這一點顯著優(yōu)于旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱量隨彈速增加的渦輪發(fā)電機，使之能在長時間高速飛行環(huán)境下正常工作，非常適合用于遠射程彈藥。美國早在20世紀70年代就對氣流諧振發(fā)電機進行了系統(tǒng)研究，至今仍然用于所有遠程火箭炮引信。我國上世紀90年代也做出了氣流諧振發(fā)電機，并且在高速飛行時輸出功率達到6 W 以上。但是該發(fā)電機尺寸較大，占去引信大約一半的體積，并且工作時會產(chǎn)生交變磁場，可能干擾電路的工作。

近幾年國內(nèi)一些高校和科研院所對氣流諧振壓電發(fā)電機進行了探索性研究，并取得一定的進展［1-4］。氣流諧振壓電發(fā)電機以壓電膜片取代了膜片、傳動機構(gòu)、簧片、永磁體和線圈，體積、重量大幅下降，并且工作時不會產(chǎn)生交變磁場。但是，在高風(fēng)速下長時間工作中容易出現(xiàn)壓電陶瓷破裂、脫落等現(xiàn)象。為此，本文提出焊接環(huán)形壓電振子。

1 氣流諧振壓電發(fā)電機原理

如圖1所示，氣流諧振壓電發(fā)電機有環(huán)音振蕩器和壓電振子組成，環(huán)音振蕩器有環(huán)形噴咀和諧振腔組成，諧振腔的頭部有尖劈，壓電振子固定在諧振腔的底部，采用的是周邊固定支撐方式。

圖1 氣流諧振壓電發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of air resonance piezelectric generator

彈在空中飛行時，氣流通過環(huán)形噴嘴（進氣道），形成環(huán)形氣流沖擊諧振腔頭部的環(huán)形尖劈邊緣，在管口處像哨子一樣發(fā)聲，形成聲波振動。當聲波頻率與諧振腔頻率相近時，空氣介質(zhì)在諧振腔中形成共振。設(shè)計壓電振子的諧振點與諧振腔相近，于是諧振腔底部的壓電振子也按諧振頻率振動，由于正壓電效應(yīng)，引線兩端就會輸出交變電流，整流穩(wěn)壓后給引信電路提供電能。

為了提高壓電陶瓷片的變形量和降低壓電陶瓷片的諧振頻率，需將壓電陶瓷片與金屬基片粘結(jié)在一起構(gòu)成壓電振子。氣流諧振壓電發(fā)電機是利用壓電振子作為換能器將機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出功率由壓電振子的振幅和壓電材料決定，而振幅與環(huán)境風(fēng)速成正比關(guān)系。在高風(fēng)速下壓電振子形變量比較大，因此對壓電振子的強度要求較高。

前期氣流諧振壓電發(fā)電機的壓電振子所用壓電陶瓷片均為圓形，如圖2所示，其中陶瓷片為鋯鈦酸鉛，金屬基片為兩面鍍錫的黃銅片，中間為粘結(jié)層，用環(huán)氧膠或?qū)щ娔z將壓電陶瓷薄片與黃銅片粘結(jié)在一起。測試結(jié)果表明：采用這種膠粘結(jié)制得的壓電振子強度和電壓輸出均不理想，壓電陶瓷片出現(xiàn)破裂、脫落，造成這種現(xiàn)象的原因有多種：一是膠的粘結(jié)強度不夠；二是膠層的泊松比與壓電陶瓷、黃銅不接近，因此在振動拉伸過程中，三者運動不一致。另外，由于膠中的導(dǎo)電材料顆粒較大，分布不均勻，導(dǎo)電性能較差，電極電阻較大，電極電阻引起的電極損耗降低了壓電振子的機電耦合性。

圖2 壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure map ofPiezoelectric Vibrator

2 焊接環(huán)形壓電振子

2.1 壓電振子結(jié)構(gòu)

針對粘接圓形壓電振子的不足，將粘接改為焊接?，F(xiàn)采用合金焊錫將壓電陶瓷薄片和黃銅基片焊接在一起。合金焊錫具有一系列優(yōu)點：首先，合金焊錫是金屬材料，導(dǎo)電性能非常好，能有效提高復(fù)合壓電振子的機電耦合系數(shù)；其次，只要合金焊錫的熔點低于壓電陶瓷的居里溫度值，就不會損傷壓電陶瓷片，并且焊接過程中對其壓電系數(shù)d33影響較小。

采用圓形壓電陶瓷片的壓電振子在高風(fēng)速下長時間工作時，壓電陶瓷片仍然存在破裂和脫落現(xiàn)象，解剖后發(fā)現(xiàn)焊料分布不均勻，接觸不充分，結(jié)合強度不夠。針對這種現(xiàn)象，將壓電陶瓷片改為中間加孔的環(huán)形的壓電陶瓷片，如圖3所示。

圖3 改進后壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure map of improved piezoelectric vibrator

2.2 壓電振子檢測

準備兩種樣品分別采用圓形和環(huán)形壓電陶瓷片，厚度均為0.3mm，下面是采用兩種結(jié)構(gòu)壓電陶瓷通過焊接制得的壓電振子粘結(jié)效果對比環(huán)。

采用激光超聲無損探傷檢測方法，激光可以實現(xiàn)非接觸式的高靈敏度測量，但不能通過非透明材料的內(nèi)部，而超聲波的檢測方法可以實現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量的檢測，因此，用激光激發(fā)超聲波使之通過被檢測試件的內(nèi)部，再用激光技術(shù)來接收這種超聲波的信號，把兩者結(jié)合起來，該檢測方法是用激光激勵出聲波，它是基于多普勒效應(yīng)的原理用光學(xué)方法接收產(chǎn)生的超聲波的一種新型的無損檢測方法。圖4為激光超聲無損探傷檢測結(jié)果，由檢測結(jié)果中的最大振幅圖可看出，圖4（a）采用圓形壓電陶瓷片的壓電振子整個粘結(jié)層接觸不均勻，圖4（b）采用環(huán)形陶瓷片的壓電振子焊接情況較好，未發(fā)現(xiàn)氣泡，局部有焊料不均勻點。分析原因是環(huán)形壓電陶瓷片中間的孔使得壓電振子在焊接過程中使得接觸面之間的空氣有利于排出，從而焊料與兩個面接觸比較好，圖5（b）結(jié)果也驗證了這一點。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)壓電振子激光超聲檢測圖Fig.4 Two kinds of structure of piezoelectric oscillator laser ultrasonic testing

圖5 兩種結(jié)構(gòu)壓電振子截面SEM 掃描圖Fig.5 Cross section SEM scans of two kinds of piezoelectric vibrator

圖5是兩種壓電振子截面掃面電鏡掃描結(jié)果，圖5（a）中明顯看出粘接層時有時無，接觸不充分，焊接層厚度在90μm 左右。圖5（b）中顯示焊料在整個截面厚度均勻，接觸良好，焊接層厚度在10μm左右。從理論上講，希望粘接層厚度越小越好，但是，粘接層太薄，則電極電阻增大，由此引起的電極電阻損耗同樣會影響壓電振子頻率特性和發(fā)電能力，綜合粘接層所引起的聲能損耗、粘接層電極電阻引起的電能損耗以及實際操作等因素，粘接層厚度控制在壓電陶瓷片厚度的2%～5%比較合適。

3 試驗驗證

為了驗證采用新設(shè)計壓電振子氣流諧振壓電發(fā)電機在高風(fēng)速下的工作性能，壓電振子的陶瓷片分別選用了圓形和環(huán)形兩種結(jié)構(gòu)，利用焊接的方式將陶瓷片與雙面鍍錫的黃銅基片粘結(jié)在一起。

試驗裝置如圖6所示，由射流管道吹風(fēng)裝置、示波器、8855數(shù)據(jù)采集儀、負載等組成。管道出氣口風(fēng)速大小與氣壓是一一對應(yīng)的，利用流體仿真計算軟件仿真出800m／s風(fēng)速時壓力分布云圖結(jié)果可以得到彈丸以800m／s彈速飛行時，引信進氣口壓力為0.6 Mpa。試驗中通過調(diào)整管道中閥門調(diào)節(jié)氣壓表的壓力，在出氣口氣流風(fēng)速達到800m／s時，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試發(fā)電機在800m／s風(fēng)速下的輸出波形和持續(xù)工作時間，試驗中負載為1 000Ω 電阻。

圖6 氣流諧振壓電發(fā)電機試驗框圖和現(xiàn)場圖Fig.6 The diagram and the scene graph of air driven fluidic resonance piezelectric generator test

圖7為示波器采集的發(fā)電機的電性能輸出，電壓有效值對比顯示，結(jié)果顯示采用環(huán)形的壓電陶瓷片比圓形陶瓷片的發(fā)電機的輸出電壓稍高，圖8為8855數(shù)據(jù)采集儀采集到的試驗過程發(fā)電機放電曲線，結(jié)果顯示在800m／s風(fēng)速下發(fā)電機可以持續(xù)工作時間為230s且電壓輸出穩(wěn)定，可以滿足遠程火箭彈時間引信的需求。由于實驗室條件限制，對發(fā)電機工作時間的極限值及風(fēng)速最大值尚未考核。

圖7 氣流諧振壓電發(fā)電機電壓輸出Fig.7 The output ofair driven fluidic resonance piezelectric generator

圖8 氣流諧振壓電發(fā)電機放電曲線Fig.8 The discharge curve of air driven fluidic resonance piezelectric generator

試驗結(jié)果表明：采用環(huán)形壓電陶瓷片一方面提高了壓電振子的粘結(jié)強度，延長了發(fā)電機的工作時工發(fā)電機的持續(xù)作時間從原來的幾十秒提高到了200s以上，另一方面氣流諧振壓電發(fā)電機輸出功率也能滿足電子時間引信的應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

本文提出氣流諧振壓電發(fā)電機用焊接環(huán)形壓電振子。該壓電振子用陶瓷片為圓環(huán)形，焊接在金屬基片上。實驗室吹風(fēng)試驗表明，解決了陶瓷片破碎與脫落問題。在模擬800m／s的風(fēng)速下可以持續(xù)工作200s以上。受實驗室條件限制，未能進行更高速度、更長時間的試驗，希望有機會作搭載飛行試驗。與氣流諧振磁電發(fā)電機比，該發(fā)電機體積和質(zhì)量都顯著減小，雖然輸出功率僅大于0.1 W，但已能滿足火箭彈時間引信的應(yīng)用需求。

［1］雷軍命.引信氣流諧振壓電發(fā)電機［J］.探測與控制學(xué)報，2009，31（1）：23-26.

［2］黎暉，高敏，王廣龍.引信用壓電式射流發(fā)電機的原理與研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30（1）：112-114.

［3］徐偉，王炅，路靜，等.引信用MEMS氣流諧振壓電發(fā)電機［J］.探測與控制學(xué)報，2011，33（1）：9-13.

［4］齊洪東，楊濤，岳高銘，等.微型壓電陶瓷振動發(fā)電技術(shù)研究綜述［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（5）：1-4.