基于壓電陣列的能量轉(zhuǎn)換發(fā)光演示器件

李俊 趙富強(qiáng) 趙華偉 劉鎧誠(chéng) 李季

摘??要：利用正壓電效應(yīng)發(fā)電，控制電路供電，光電二極管（LED）組塊發(fā)光，研制了一種基于機(jī)-電-光能量轉(zhuǎn)換發(fā)光的演示器件。使用數(shù)字示波器和定值電阻（50Ω）探究了發(fā)電模塊輸出電壓隨單層陶瓷片數(shù)及模塊層數(shù)之間的定量關(guān)系。當(dāng)雙手有規(guī)律地按壓時(shí)，單片陶瓷整流前的輸出電壓峰峰值（Vpp）約為15.58V，隨著片數(shù)的增加，Vpp逐漸降低，當(dāng)片數(shù)增加到49片時(shí)，單層模塊的Vpp約為的6.95V。將四層發(fā)電模塊單獨(dú)整流，并聯(lián)疊放，壓電陣列的Vpp約3.22V。當(dāng)連接50Ω定值電阻負(fù)載時(shí)，發(fā)電模塊的輸出峰值功率可達(dá)0.5?mW。演示時(shí)，負(fù)載連接LED組塊（并聯(lián)200個(gè)紅光LED），器件可在雙手按壓下呈現(xiàn)出明顯地發(fā)光現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷陣列;能量轉(zhuǎn)換發(fā)光;演示器件

壓電效應(yīng)是由居里兄弟在1880年研究α石英晶體首先發(fā)現(xiàn)的，包括正、逆壓電效應(yīng)兩種，是應(yīng)用物理學(xué)的基礎(chǔ)物理效應(yīng)之一。作為一類(lèi)重要的能量轉(zhuǎn)換功能材料，壓電陶瓷在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、變壓器、壓電點(diǎn)火等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，收集日常生活中的機(jī)械振動(dòng)能量并將其轉(zhuǎn)化成電能是面向能源的功能轉(zhuǎn)換器件的重要研究方向之一。同時(shí)，對(duì)于應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)學(xué)生，已經(jīng)初步掌握電子工藝、電路原理、光電子學(xué)及單片機(jī)等實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)和制作基于壓電陶瓷的轉(zhuǎn)換器件既可以讓學(xué)生深刻理解壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的物理實(shí)質(zhì)，又可以使學(xué)生在電路分析與優(yōu)化、機(jī)械設(shè)計(jì)與加工以及器件系統(tǒng)的安裝與調(diào)試等工程物理方面得到技能的訓(xùn)練和提升。

利用正壓電效應(yīng)發(fā)電，整流橋、儲(chǔ)能電容及控制電路供電，光電二極管（LED）組塊發(fā)光，本文研制了一種基于機(jī)-電-光能量轉(zhuǎn)換發(fā)光的演示器件。同時(shí)，利用示波器和負(fù)載電阻，詳細(xì)地探究了壓電陶瓷的陣列參數(shù)對(duì)演示儀器輸出特性的影響。

1?電路設(shè)計(jì)、工作原理，制作及演示效果

如下圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能-光能的有效轉(zhuǎn)化，演示儀器的電路分為三部分，自左至右分別為壓電陶瓷陣列（I）、整流及控制電路（II）以及LED發(fā)光組塊（III），分別完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，整流、電能傳遞、電路保護(hù)，以及將電能轉(zhuǎn)換成光能。

圖2（a）給出利用了四層3×3壓電陣列發(fā)電并暫存到超級(jí)電容C中，在閉合S1至b端點(diǎn)瞬間，LED組塊負(fù)載發(fā)光效果的照片。圖2（b）給出了利用了兩塊四層的7×7壓電陣列發(fā)電，并給近1000個(gè)LED（圖3b中“發(fā)光大師”）供電的演示儀器實(shí)物，該儀器實(shí)物演示效果良好，還作為展品參加了安徽省慶祝改革開(kāi)放40周年科技創(chuàng)新成果展，后被安徽省創(chuàng)新館作為正式展品收藏。

2?對(duì)壓電陣列輸出電壓特性的探究

為提升演示效果，優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，利用示波器和負(fù)載電阻，我們探究了不同的壓電陣列對(duì)器件發(fā)光效果的影響。由于LED發(fā)光的能量來(lái)自于操作者按壓壓電陶瓷陣的機(jī)械能，實(shí)驗(yàn)探究主要是考查手按壓壓電陶瓷陣列的輸出電壓情況。圖3給出了用雙手持續(xù)按壓陶瓷陣列時(shí)，不同片數(shù)的單層發(fā)電板輸出電壓峰峰值情況。為了減小隨機(jī)誤差，每組數(shù)據(jù)均采集10次。由圖3（a）可以看出，對(duì)于單層發(fā)電板，一片壓電陶瓷的輸出電壓最大，均值可達(dá)15.58V，但輸出電壓不夠穩(wěn)定。隨著壓電陶瓷片數(shù)的增加，電壓峰峰值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，即片數(shù)越多電壓峰峰值越小。當(dāng)片數(shù)增加到49片時(shí)，電壓峰峰值降到均值約6.95V。這主要是因?yàn)閴弘娞沾傻碾妷号c等效電容（平行板電容器）呈反比例關(guān)系[9]，當(dāng)多個(gè)陶瓷片并聯(lián)時(shí)，其等效電容值的增加導(dǎo)致輸出電壓的降低。圖3（b）給出了10次按壓輸出電壓的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)結(jié)果，由圖可以清晰的看出，電壓峰峰值隨著片數(shù)的增加不斷減少，同時(shí)輸出電壓值越來(lái)越穩(wěn)定（標(biāo)準(zhǔn)差也不斷減小）。這無(wú)疑有利于獲得穩(wěn)定的電壓輸出，提升演示器件的演示效果。為增加輸出功率，提升LED組塊的發(fā)光亮度，優(yōu)化器件的演示效果，壓電陶瓷陣列采用多層壓電板單獨(dú)整流、然后并聯(lián)的連接方式發(fā)電。當(dāng)用雙手有規(guī)律地按壓壓電陣列時(shí)，器件顯示了很好的演示效果。

3?小結(jié)與展望

采用正壓電效應(yīng)發(fā)電，整流、控制及傳輸線路供電，促使光電二極管發(fā)光，本項(xiàng)目成功研制了一類(lèi)機(jī)械發(fā)光演示器件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能-電能-光能的高效轉(zhuǎn)換。如果采用50?Ω定值電阻作為負(fù)載，器件的輸出功率峰值可達(dá)0.5?mW，這一結(jié)果是基于圓盤(pán)壓電振子能量采集器的最大輸出功率（22.86?μW）的20倍，與唐可洪等設(shè)計(jì)的壓電發(fā)電裝置的輸出功率（0.87?mW）量級(jí)相當(dāng)[13-14]。從物理原理上講，演示器件利用了正壓電效應(yīng)、二極管的單向?qū)ㄌ匦?、整流橋原理、電容和超?jí)電容的儲(chǔ)、放電原理、LED的單向?qū)òl(fā)光等基本物理原理，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能-電能-光能的高效轉(zhuǎn)換。從創(chuàng)新訓(xùn)練的角度講，演示儀器制作過(guò)程中，涉及元器件優(yōu)選、陣列設(shè)計(jì)及優(yōu)化、CAD制作，整流橋設(shè)計(jì)、電路組裝與調(diào)試等工程、技術(shù)問(wèn)題及其解決的訓(xùn)練，因而使項(xiàng)目組成員在諸多方面得到訓(xùn)練和提升。同時(shí)，這種類(lèi)型的發(fā)光器件可應(yīng)用于光照不足、意外停電、供電困難、自然災(zāi)害等特殊環(huán)境下的應(yīng)急照明。此外，還可以將其與公交車(chē)車(chē)身、健身跑步機(jī)、健身騎行機(jī)、跳舞機(jī)、跑鞋等結(jié)合，發(fā)明新型的能量俘獲和轉(zhuǎn)化裝置，將人類(lèi)日?；顒?dòng)中的機(jī)械能隨時(shí)收集起來(lái)，減輕日益嚴(yán)峻的能源壓力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李言榮.電子材料[?M]?.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]李俊.幾種鈣鈦礦鐵電體的電性能與發(fā)光新功能研究[M].同濟(jì)大學(xué)博士論文，2017：?2-3.

[3]龔立嬌.基于壓電材料的能量采集研究?[M].南京航空航天大學(xué)碩士論文，2008：?24-42.

[4]程光明，龐建志，唐可洪，等.壓電陶瓷發(fā)電能力測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，?37（2）：?367-371.

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201810371056）;省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201710371117）;基礎(chǔ)教育研究成果培育（2019JCJY10）;省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（gxyq2018045）;國(guó)家級(jí)大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地項(xiàng)目（221）;省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（2016jyxm0763）;省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2016ckjh138）;省級(jí)卓越人才教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2016zjjh047）?資助

*通訊作者：李?。?1980—?），男，漢族，安徽阜陽(yáng)人，工學(xué)博士，副教授，研究方向：能量轉(zhuǎn)換功能材料與器件。