單-雙晶片壓電換能器發(fā)電能力仿真分析與實驗研究*

侯躍謙，朱金志，田曉超，孫禹澤，王海剛，王志聰，王 虎

(長春大學 機械與車輛工程學院，吉林 長春 130022)

0 引 言

壓電材料具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小、不受磁干擾等優(yōu)點[1]，被國內外學者廣泛關注。特別是作為節(jié)能環(huán)保能源將機械能轉化為電能發(fā)電技術成為研究的熱點[2]。例如美國、日本等國家大量開展了對壓電發(fā)電與能量存儲技術進行相關的研究[3-7]。發(fā)電技術最為代表性的就是壓電懸臂梁式發(fā)電，學者對其進行了大量的分析與研究，主要表現(xiàn)在：①對懸臂梁壓電換能器進行理論分析和實驗測試來研究其發(fā)電性能[8-9]；②為提高換能器發(fā)電效率對壓電方程進行理論推導，得出影響換能器發(fā)電效率的表達式及影響因素[10]；③壓電懸臂梁結構尺寸、配置位置以及不同質量對發(fā)電能力的影響以及不同金屬基板材料對能量傳遞的影響[11-13]。

筆者主要針對單晶片換能器和雙晶片換能器發(fā)電能力進行實驗對比研究，為壓電材料發(fā)電提供設計理論與技術參考。

1 結構設計與工作原理

單晶片和雙晶片壓電換能器結構示意圖如圖1和圖2所示。主要由固定支撐部分、壓電換能器(金屬基板和壓電陶瓷材料粘接而成)以及質量塊組成。雙晶片壓電換能器采用雙面晶片陶瓷貼置，單晶片壓電換能器采用單面晶片陶瓷貼置。由于壓電材料具有正壓電效應，當壓電換能器受到外部作用力時，壓電換能器發(fā)生彎曲變形，在質量塊慣性作用下，壓電換能器彎曲變形進一步變大，壓電陶瓷材料在外部應力的作用下產生電荷，進而起到發(fā)電的作用。

圖1 雙晶片壓電換能器發(fā)電模型

圖2 單晶片壓電換能器發(fā)電模型

1.2 仿真分析

利用仿真軟件對單-雙壓電換能器進行仿真分析，仿真結果如圖3、4所示。

圖3 單晶片壓電換能器仿真圖

圖4 雙晶片壓電換能器仿真圖

從以上仿真可以看出，單晶片換能器第二階模態(tài)符合振動形態(tài)，在換能器的中部發(fā)電量最大，最佳頻率為38.9 Hz；雙晶片換能器第一階模態(tài)符合振動形態(tài)，發(fā)電量最好，最佳頻率為43.1 Hz。

2 實驗測試

單-雙懸臂梁壓電換能器發(fā)電能力測試系統(tǒng)圖如圖5所示，換能器材料及尺寸參數(shù)如表1所列。配重塊的質量為6.2 g，由信號發(fā)生器提供所需的外部激勵，此激勵信號通過導線傳遞給激振器，用于控制激振器為壓電換能器提供激勵振動。激光測微儀測試壓電換能器振動幅值，壓電換能器在激勵的作用下產生振動，產生電能。用數(shù)據(jù)線連接示波器和微型計算機，由此獲得實驗的測試數(shù)據(jù)。

表1 壓電換能器材料及尺寸參數(shù)

圖5 測試裝置系統(tǒng)圖

2.1 發(fā)電量與驅動頻率影響關系

單-雙晶片壓電換能器隨驅動頻率發(fā)電量影響關系曲線如圖6所示。

圖6 發(fā)電量與驅動頻率影響關系曲線圖

從圖中可以看出，單-雙晶片壓電換能器發(fā)電量隨驅動頻率先增大后減小，且都有一個輸出最大值，單晶片壓電換能器在驅動頻率為38.4 Hz時輸出電壓最大，最大幅值電壓為13.5 V。雙晶片壓電換能器在驅動頻率為42.2 Hz時輸出電壓最大，最大幅值電壓為15.4 V。略小于理論分析值，主要是因為換能器裝配精度的影響以及理論模型參數(shù)過于理想造成的誤差。雙晶片壓電換能器發(fā)電量要高于單晶片壓電換能器發(fā)電量。

2.2 發(fā)電量與激勵振幅影響關系

單-雙晶片壓電換能器發(fā)電量隨激勵振幅影響關系曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)電量與激勵振幅影響關系曲線圖

在外部激勵頻率為40 Hz時，單-雙晶片壓電換能器發(fā)電量與外部激勵振幅成正比。主要是由于在一定的激勵頻率內，激勵振幅越大，壓電換能器產生的變形就越大，相應產生彎曲應力也就越大，電荷量隨之變大。當激勵振幅小于1.2 mm時，單晶片壓電換能器的發(fā)電能力要優(yōu)于雙晶片壓電換能器，當激勵振幅大于1.2 mm時，雙晶片換能器的發(fā)電能力要優(yōu)于單晶片換能器。如果外界提供的激勵振幅較小時，應當盡量優(yōu)先選用單晶片壓電換能器，否則，將選用雙晶片壓電換能器。

3 結 語

設計了單-雙晶片壓電換能器發(fā)電模型，并對兩種懸臂梁壓電換能器進行了仿真分析與實驗測試，分別測試驅動頻率與激勵振幅對換能器發(fā)電量的影響對比實驗。單-雙晶片壓電換能器在共振頻率狀態(tài)下發(fā)電量最大，隨激勵振幅的增大產生的電能也隨之變大。結果表明，雙晶片壓電換能器發(fā)電量要優(yōu)于單晶片壓電換能器，為壓電材料發(fā)電提供理論依據(jù)與技術參考。