用于分布式傳感器供電的微聲能發(fā)電裝置

袁小慶，鄭 瑋，岳子清，索旭飛

（西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，西安 710072）

用于分布式傳感器供電的微聲能發(fā)電裝置

袁小慶，鄭 瑋，岳子清，索旭飛

（西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，西安 710072）

文章研制的產(chǎn)品通過收集聲能信號并將其轉(zhuǎn)換為電能給鋰電池供電，通過鋰電池為分布式傳感器供電，既可以消除機艙內(nèi)的噪音，同時可以高效的利用能源，還能防止由于傳感器斷電造成的危險。后期我們的作品將會與能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，將聲能收集起來集中為較大型設(shè)備供電，既可以消除噪聲污染，還可以增加能源利用率。

壓電發(fā)電；能源互聯(lián)網(wǎng)；噪聲發(fā)電

1 研制背景及意義

飛行器健康監(jiān)測系統(tǒng)中目前采用分布式傳感器系統(tǒng)，分散在各處的傳感器目前采取中央供電模式，如果干線損壞的話大量傳感器將會失去作用，因此，我們團隊打算采取分散供電模式，即每一個傳感器上面都配有一個可以收集微弱聲能的壓電發(fā)電裝置，用于給傳感器供電。飛機艙內(nèi)噪聲包括駕駛艙、空勤艙、乘客艙設(shè)備艙和貨艙內(nèi)的噪聲，影響大型客機艙內(nèi)聲學(xué)環(huán)境的噪聲源很多，主要包括兩大類：外部噪聲源和內(nèi)部噪聲源。其中，外部噪聲源主要包括飛機在飛行狀態(tài)下，氣流流過飛機表面產(chǎn)生的附面層脈動噪聲、發(fā)動機向前向后傳播的噪聲以及發(fā)動機振動引起的振動輻射噪聲。內(nèi)部噪聲源包括環(huán)控系統(tǒng)、輔助動力裝置、液壓系統(tǒng)以及電子設(shè)備等產(chǎn)生的噪聲。如果將這些噪聲進行聲能發(fā)電，既可以增強機艙的舒適性，同時可以高效的利用能源，還能防止由于傳感器斷電造成的危險，一舉三得。同時，我們準備研制的微小聲能壓電裝置也可以廣泛的用于其他場合，比如工廠、大型報告廳、火車站等噪聲較大、需要吸收聲能的地方。

2 設(shè)計方案

圖1 項目研究的技術(shù)路線

項目研究的技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 信號收集單元

信號收集單元大概由三部分組成：壓電材料的選擇，換能器形狀的設(shè)計以及諧振頻率的確定。

需要收集較為微弱的聲能，對于壓電材料的選擇方面要求比較高，準備選取一種柔韌性好，壓電系數(shù)高，機械品質(zhì)因數(shù)高，介電常數(shù)小的壓電材料作為壓電薄膜。綜合考慮柔軟度，工作溫度和電學(xué)性能，考慮算采用高分子共聚物，比如偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物P(VDF/TrFE)，可以通過調(diào)節(jié)三氟乙烯的摻雜百分比來改善材料性能。

在形狀設(shè)計方面，我們研究出一種新型聲音收集裝置，可以最大程度的實現(xiàn)吸聲和發(fā)電的作用。

同時，我們將通過測試目標安裝環(huán)境中的噪聲頻譜選擇聲壓級最高的頻率來作為聲能轉(zhuǎn)換設(shè)備的諧振頻率，以獲得最小阻抗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

2.2 信號單元組合結(jié)構(gòu)

如何將聲能收集單元進行合理的排列來最大限度收集到聲能。

2.3 倍壓整流電路

如何將產(chǎn)生的微弱電壓以較高效率的進行升壓，如何將產(chǎn)生的交流電流以較低損耗變成直流電流為鋰電池充電，也是一項我們研究的內(nèi)容。

2.4 電池充電電路

團隊擬設(shè)計配套的鋰電池電路保護芯片來防止鋰電池的過充和過放，將在以下條件完成設(shè)計：超低消耗電流，高精度檢測電壓，低電壓下正確工作。對于過充電和過放電保護，準備采取如下措施：在正常充放電情況下，當(dāng)VDD的電壓高于或低于檢測電壓時，保護芯片將切斷回路，同時保護芯片將進入低功耗模式。保護芯片的設(shè)計包括模塊的劃分，是研究的一項內(nèi)容。我們將采用PIC16C74單片機為控制核心的鋰離子電池（7串電池組）保護電路的硬件、軟件設(shè)計。利用PIC16C74單片機強大的判斷和邏輯運算能力及軟件的靈活性，實現(xiàn)了對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測，以及對鋰電池的防過充電、防過放電與防止過電流功能。

3 實驗測試

我們首先設(shè)計一個壓電聲能量收集裝置。其中，壓電振子為能量收集裝置的換能元件，由PZT層和銅質(zhì)金屬基體所構(gòu)成。壓電振子被夾持在用聚四氟乙烯所加工而成的圓形模具中間，并從陶瓷片的兩極引出導(dǎo)線用于電學(xué)性能測試。將此裝置放置于聲場中，入射平面聲波通過時會作用在壓電振子上使其發(fā)生彎曲形變，其內(nèi)部壓電晶體會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其兩個相對表面上會出現(xiàn)正負相反的電荷，此時會在壓電層的上、下電極之間產(chǎn)生電勢差，通過這一壓電效應(yīng)實現(xiàn)了從聲能到電能的轉(zhuǎn)化過程。由于屬于邊界夾持和電學(xué)短路的條件，根據(jù)第二類壓電方程組可知壓電體所受應(yīng)力及產(chǎn)生電場的關(guān)系可表示為

式中，D為電位移；E為電場強度；S和T分別為應(yīng)變和應(yīng)力；cE為短路彈性剛度系數(shù)；e為壓電應(yīng)力常數(shù)；εS為夾持介電常數(shù)矩陣。

4 實驗結(jié)果與討論

在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)影響聲能發(fā)電效率的主要有諧振頻率和外接載荷。

（1）諧振頻率的確定。作為以壓電振子為核心組件的能量收集裝置，諧振頻率的確定是極為重要的，因為根據(jù)壓電材料的特性，其機-電轉(zhuǎn)換輸出電壓的最大值一般都是出現(xiàn)在其諧振頻率處的。圖5為此裝置外接電路為開路時，整流電壓隨外加聲場頻率變化而變化的曲線，測試時聲壓值固定為110dB。

（2）外接負載后的輸出功率。輸出功率P=U2/R，在加入負載電阻后，輸出功率與負載電阻存在非線性關(guān)系，如何確定負載電阻的阻值也是實驗中需要注意的一個方面。

電壓會得到相應(yīng)增大。當(dāng)聲壓值達到120dB時，開路電壓已經(jīng)可以達到4～6V。

5 解決問題與創(chuàng)新點

5.1 作品解決的問題

⊙ 聲電轉(zhuǎn)換器的單體形狀設(shè)計和陣列形狀設(shè)計，尋找一個可以最大化收集聲能的解決方案。

⊙ 新型倍壓整流電路的設(shè)計，可以在升壓和整流的過程中盡可能減少電能損耗。

⊙ 鋰電池防過充和過放保護電路的設(shè)計，采用芯片和單片機控制來完成過充過放時電路的切斷以及控制電容向鋰電池充電時的臨界電量。

5.2 創(chuàng)新點

⊙ 目前已有利用飛機引擎噪音為電池供電的研究，但是本項目利用的噪音散布在飛機各部分，其平均聲壓級也遠遠小于飛機引擎處的130分貝，這就對于各方面提出了更高的要求。

⊙ 擬開發(fā)的裝置希望將目前分布式傳感器集中供電形式轉(zhuǎn)變?yōu)樽怨╇娦问?，從而降低對于中央電源的依賴，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 項目應(yīng)用前景

我們作品的初步設(shè)想是能夠完成對于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電，避免了目前中央供電形式產(chǎn)生的弊端。作品后期經(jīng)過升級后可以結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)、分布式可再生能源發(fā)電技術(shù)，把聲能發(fā)電所得電能集中起來用于大型設(shè)備供電。

[1] 陳銳，姚曼文．基于壓電效應(yīng)的聲能量收集．功能材料，2014,45(13):76-78

[2] 彭睿，成經(jīng)緯．利用噪聲進行發(fā)電相關(guān)研究．環(huán)境科技，2012,25(5):22-26

[3] 魏嫻，董衛(wèi)．聲能發(fā)電技術(shù)發(fā)展概況．大眾科技，2012,(124):101-103

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.016

TM619，U260.4+9文獻標示碼：A

1672-7274（2017）06-0049-02

袁小慶，男，西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院副教授，從事機電系統(tǒng)控制與自動化的研究。