本科毕业论文---基于压电材料的振动能量收集技术研究正文.doc

陕西理工学院毕业设计题 目 基于压电材料的振动能量 收集技术研究 学生姓名 井 创 学号 1116014113 所在学院 机械工程学院 专业班级 测控技术与仪器1104班 指导教师 王楠 完成地点 陕西理工学院图书馆 2015年 5 月 30 日基于压电材料的振动能量收集技术研究井创（陕西理工学院机械工程学院测控技术与仪器11级04班，陕西 汉中 723000）指导教师：王楠摘要伴随着无线传感器网络技术和可携带器件的发展，电池续航供能成为其发展的瓶颈之一。为了获得无线生命周期的自主供电系统，利用周围环境的振动能转换为电能为电子器件供电成为亟待解决的问题。其中利用压电材料把振动能转换为电能越来越受到关注，成为能量领域的研究热点。然而目前存在的问题是，等效电路模型理论有待进一步完善；器件产生的输出电压较小，器件结构有待改进；手机电路及收集器件需进一步优化等。针对以上问题，本文对目前国内外压电振动能量收集的发展状况进行了研究，对压电材料的类型、振动模式以及收集电路和器件进行了比较分析，提出了压电振动能量收集器的研究内容。最后，对全文工作进行了总结，并且对下一步计划进行展望，提出新的研究思路。关键词振动能；压电效应；压电材料；能量收集电路Research on Vibration Energy Harvesting Technology Based on Piezoelectric materialJing Chuang（Grad 11，Class 04, Major Technique and instrumentation of Measurements, Mechanical Engineering Dept., Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi）Tutor: Wang NanAbstract: With the development of wireless sensor network technology and portable devices, the power supply via the battery becomes one of the bottlenecks. In order to achieve finite lifetime of self-powered systems, the desiderating thing is to provide electric energy for such devices and networks by utilizing the vibration energy from the ambient environment.Converting vibration energy into electric energy into electric energy by piezoelectric materials attracts more and more attention and becomes the hot point in micropower field. However the problems are that the modeling theory harvester are ought to be further investgated, the structures of the piezoelectric energy harvester are ought to be improved because of the small output voltage and optimizing the harvesting circuits and storage devices are much in demand.According to the above problems,this dissertation investgated the development trend of the piezoelectric vibration energy harvesting at home and abroad, and compared the merits and shortcoming of the different parts of structures and harvesting circuits, finally,proposed the research content of piezoelectric vibration energy harvester.In the end,the work of this dissertation are sunnarized briefly,and next work is figured out, including the novel research ideas.Keywords: Vibration energy, Piezoelectric effect, Piezoelectric materials, Energy harvesting circuit目 录1 绪论11.1 选题背景和意义11.2 能量收集背景知识21.2.1 常见的能源及其收集方法21.2.2 振动能量收集方法51.3 压电振动能量收集技术研究现状及发展趋势71.4 能量收集电路与能量转换效率92 压电发电技术机理研究112.1 压电能量转换基本理论112.1.1 压电效应112.1.2 压电方程112.2 材料与结构的优化选择132.3 本章小结133 压电振动能量收集器等效电路设计143.1 压电发电装置的电学等效模型143.2 振动能量收集器等效电路模型的提出163.3 AC-DC负载电路条件下的等效电路建模分析163.4 SSHI负载电路条件下的等效电路建模分析173.5 本章小结184 总结与展望204.1 总结204.2 展望20致谢21参考文献221 绪论1.1 选题背景和意义无线系统的应用已经深入世界的每一个角落，例如基于IEEE802.11标准的无线网络和基于蓝牙标准的便携式电子设备，这些已经在日常生活中得到了普遍的应用。无线系统与传统的有线系统相比较，具有很多优势，例如使用方便、操作灵活、并且可以随意配置。作为无线系统的一个重要应用，一种被称为无线传感网络（Wireless Sensor Network）1的技术已经得到了快速的发展。这项技术是将微型的无线传感器节点安放在机器或者建筑结构中，来实时监测它们的运行状态。这样对便携式电子设备和无线传感器的供电设备的需求也就与日俱增。目前，绝大部分无线传感器和便携式电子设备都是采用电池来提供电力的。尽管随着电池技术的逐渐发展，开发者可以通过增大电池容量来延长电池的使用年限，可是当前电池增容技术的发展速度还是远远落后于无线电子器件。因为电池寿命的限制，在使用时会遇到一系列的问题，而且在某些场合下更换电池是一项成本很高甚至于不可能完成的工作。例如，在无线传感网络中在桥梁上放置大量的传感节点，用做结构健康监测传感器，还有追踪野生动物所用的定为节点，即全球定位系统（Global Positioning System,GPS）。如果电池能量耗尽，那么就需要定期将传感器上的电池更换。这样，要保证一个由上千个节点组成的无线传感器网络的运行就需要定期更换大量的电池，一方面就必然要增高无线传感网络的使用成本，对状态监测技术的应用和发展会带来不利的影响，另外一方面大量的废弃电池也会造成一定的环境污染。所以，开展新的无线供能技术研究已经成为当务之急。近些年来，基于环境的能量收集技术引起了国内外专家学者的广泛关注。能量收集技术是一种将工业设备或周围环境中的其他能量通过某种物理或化学机制转换成电能，并将电能提供给其他电子设备的技术方法。目前，在工业环境中存在的可利用的潜在能源包括：太阳能(光能)、风能、热能、声能、电磁场能和机械振动能等，如图 1所示2。如何收集和存储这些潜在的能量并将其合理地应用到无线传感器网络等电子设备中是近些年来众多科研人员研究的重点问题之一。图 0.1 工业环境中的潜在能量与回收虽然以现有的技术和方法，要通过环境能量收集来完全实现无线传感器网络的自供电问题还有一定的困难，但是随着现代化大规模集成电路的不断发展，电子元器件的体积和功耗也越来越趋于微型化，微瓦级功耗的电子器件已经非常普遍，再加上能量收集技术的不断提高和优化，相信在不久的将来，实现自供电式无线传感器网络将不再是难题。本文主要研究基于压电材料的振动能量收集技术及其在无线传感器网络中的应用。对压电振动能量转化机理、电能预测模型、电能输出影响因素、功率调节与能量存储电路的设计以及相关理论分析和实验方法进行了深入的研究和讨论。1.2 能量收集背景知识1.2.1 常见的能源及其收集方法如上所述，能量收集技术能够将其他形式的能量转换成电能。根据被收集能量形式的不同，可将能量收集技术分成不同的种类，Error! Reference source not found.描述了不同能量收集技术的对比结果3-8，表中同时包含了普通电池和其他能量存储电源的对比信息。从Error! Reference source not found.中可以看出，表格的上半部分表示单独通过能量收集而形成的电源，因而这部分的功率密度与使用寿命无关。表格的下半部分是单独通过能量存储技术得到的电源，它们的初始电能是一定的，因而它们的输出功率随着寿命的增加而不断减小。表 0.1 不同能量收集技术的对比电源类型功率密度(W/cm3)1年寿命功率密度(W/cm3)10年寿命能量源数据的来源信息能量收集电源太阳能(户外)15000(太阳直射)150(阴天)15000(太阳直射)150(阴天)通常易获取太阳能(户内)6 (办公桌旁)6 (办公桌旁)来自文献13振动能量200200来自文献14噪声能0.003(75Db)0.96(100Db)0.003(75Db)0.96(100Db)理论计算每日温度变化能1010理论计算温度梯度能15 (10C梯度)15 (10C梯度)来自文献15穿鞋释放的能量330330来自文献16,17能量存储电源不可充电锂电池453.5通常易获取可充电锂电池70通常易获取碳氢燃料33333来自文献18燃料电池28028通常易获取核燃料铀61066105通常易获取同样从Error! Reference source not found.我们可以发现，从用电设备的长远工作来看，通过能量收集技术提供电能要明显优于电池供电，而且不同环境能量所能提供的电能有明显的差别，接下来我们就对常见的能量收集技术进行简要的说明。1） 太阳（光）能收集光电材料的不断发展，使太阳光伏能量收集成为了无线传感器网络电能来源的一个重要组成部分。太阳能光伏收集的能量资源来自太阳，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的巨型可再生能源。太阳能在地球上分布很广，只要有光照的场所和地理位置适合的地区，就可使用太阳能发电系统来发电。而且，现在的光伏发电技术已经相当成熟，对应的光伏发电设备也非常便利，基本上能够实现即装即发电，不用使用任何类型的变压器9。光伏发电的全过程是利用太阳的光辐射能通过光电池作用转换为电能，能量转换过程简单，它是直接将光能转换为电能，没有中间环节，因而光伏发电不但无噪音，而且无能耗、无有毒污染气体排放、无水源冷却系统与设备，节省了资金投入。此外，太阳能发电组件结构具有体积小、重量轻、便于运输和安装、发电系统建设周期短、电负荷容量大、方便灵活、极易组合扩容等特点，可随人之需而定。光伏发电系统具有稳定可靠的性能，使用寿命长（30年以上），一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件发电，有自动化控制系统来进行控制，基本上可以实现无人值守。因此光伏发电是一种最具有可持续发展的、最具特殊性能的可再生能源的发电技术。虽然太阳能所能提供的电能密度很大，在户外太阳直射的条件下，在地球表面通过太阳能收集技术所能提供的最大功率密度能够达到100mW/cm3，但是，现有的硅太阳能电池或太阳能薄膜晶体电池对太阳能的利用率较低，只能达到12%-25%。而且，太阳能收集技术的电能输出与光照大小有很大的关系。从1.2中可以看出，在户外太阳直射和阴天的条件下太阳能转换成电能的功率输出密度相差100倍。尽管在户内可收集发光源散发的光能，但通过这种方法收集到的电能与和光源之间距离的平方成反比3，Error! Not a valid bookmark self-reference.给出了在不同光照情况下所能收集到的电能密度。表 0.2 不同光照时的输出电能对比光照条件户外中午距离60W的白炽灯0.1m距离60W的白炽灯0.4m办公室照明输出功率(W/cm3)1400050005676.52） 声能的收集声能也是一种非常可观的能量。据测定，当一架喷气式飞机的噪声达到160dB时，在20m之内的噪声功率可达到10kW，这意味着每小时可以发电10kWh，噪声达到140dB的大型鼓风机，其噪声功率为100W10。那么可以想象，在一个体育场，几万人一起呐喊鼓掌产生的能量也是相当巨大的。对声能的收集一般通过人造铌酸锂来实现。当高频声波信号遇到铌酸锂时，这种材料的特殊功能使其能够在高温条件下将声能转化为电能。基于此转换原理，英国科学家设计制造出了鼓膜式声波接收器，他将能聚集声能的共鸣器和接收器连接起来，来自共鸣器的声能作用于声能转换器时，即可以发电。同样，韩国研究人员仿照人耳鼓膜制造出了噪声发电机，它内部存储有碳酸盐、丙烯腈等化学物质可以将噪声冲击波对仿生鼓膜的振动能转化为化学能储存起来11。但是，声能的输出功率密度太低，而且要达到理想的输出功率，就要求声音环境有足够高的分贝值，这只有在一些特殊的场合才能实现，况且过高的分贝值对人耳来说是难以承受的。3) 温差能收集温差发电技术是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种能量收集技术。如图 1.2，将P型富空穴热电材料和N型富电子热电材料的一端相连而形成一个PN结12，并将其一端置于高温环境，而另一端置于低温环境。由于热激发作用，P型材料高温端的空穴浓度要高于低温端的空穴浓度，或者说N型材料高温端的电子浓度高于低温端，在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就会缓缓的向低温端扩散，继而形成电动势，这样，热电材料就通过高低温两端之间的温差补偿，完成了将高温端的输入热能转化成电能的过程。单独的一个PN结只能生成很小的电动势，但如果串联起众多的PN结，那么久可以得到足够高的电压，继而形成一个温差发电机。用于温差发电的热电材料主要以半导体材料为主，如Bi2Te3、PbTe2SnTe和SiGe与MnTe等13。利用这些热电材料制成的温差发电设备具有体积小、重量轻、无振动、运行无噪音、工作寿命长和在极端恶劣环境下可长时间工作的优点，非常适合于各种无人监视的传感器、卫星电源、灯塔和导航标识以及医学和生理学研究领域。例如，Maneewan等14利用置于屋顶的钢板吸收太阳能，太阳能辐射到钢板上, 使热电转换器件的热端温度升高，与冷端形成温差从而输出电能。实验证明，在环境温度为30-35C，辐射强度为800W/m2时，能够产生1.2W/m2的电力。在我国的探月二期工程中, 已经成功论证了将采用同位素温差发电器提供动力给常值负载和CPU提供电力15。但是，低效率一直是限制温差发电技术产业应用的最主要原因。自1947年第一台温差发电机以仅1.5%的能量转换效率问世以来16，为了提高能量转换效率，人们从热电材料、结构优化等各个角度对温差发电机进行了研究，但是目前温差发电机的效率也只介于5%7%之间。因此，为了发挥温差发电机的最佳性能，还应从高性能热电材料、最佳匹配工作条件以及数值仿真模拟与实验等方面进行深入研究。图 0.2 温差发电机原理1.2.2 振动能量收集方法机械振动普遍存在于人们的日常生活和工业环境中，例如手机、装配车间、机床、火车、空调等。表1.3列举了一些常见的振动源以及它们的加速度和频率特性17。可以看出，这些常见的振动源频率都介于60到120Hz之间，所产生的峰值加速度大概处于1到10m/s2。由于振动能量在任何工业领域都很容易得到，因此，近些年来对基于振动环境的能量收集技术的研究越来越多。基于环境的振动能量收集是一种将周围环境中的振动能量通过某种机制而转换成电能的技术，根据能量转换机制的不同，英国学者Williams和Yate18将振动能量收集方法分成三类：静电式(Electrostatic)、电磁式(Electromagnetic)和压电式(Piezoelectric)，这三种振动能量收集方式各有其优缺点和适用范围。1) 静电(电容)式静电式振动能量收集器也称为电容式振动能量收集器，其基本结构主要由两部分组成：可变电容和恒定电压源，其中可变电容由一个固定电极和一个附有惯性质量块的可动电极构成。静电式能量收集器将振动能量转换成电能的原理是：在周围振动环境的影响下，惯性质量块带动可变电容器的可动电极板，从而改变电容的大小。如果事先给电容器极板上加上了恒定的电压，那么当可动极板在环境振动的带动下发生往复运动时，电容器的容量将发生变化，则根据可得电极板上的电荷将向外流动形成电流，从而将外部的振动能量转换成电能输出。2） 电磁(电感)式电磁式振动能量收集器也称为电感式振动能量收集器，其转换原理与法拉第发电机的电磁感应原理相同。当线圈在磁场中做切割磁力线运动时，在导线内将产生电流，其输出电能的大小由磁场强度、线圈的匝数和其相对于磁场的运动速度决定。根据线圈切割磁力线的不同方式可将电磁式振动能量收集器分成磁极运动型和磁极固定型。顾名思义，磁极运动型是线圈保持不动，磁极运动引起线圈相对切割磁场而产生电能；而磁极固定型是磁极保持不动，线圈运动切割磁场而产生电能。表 0.3 常见振动源及其特性振动源峰值加速度(m/s2)频率(Hz)三轴机床基座1070厨房用搅拌机外壳6.4121干衣机3.5121关门时的门框3125微波炉2.25121空调0.2-1.560行走时的木质板1.3385面包机1.03121靠街窗户外侧0.7100运行光驱时的电脑0.675洗衣机0.5109木结构建筑的二层楼表面0.2100冰箱0.12403）压电式压电式振动能量收集器(也称为压电发电机)的原理是利用环境中的振动能量使压电元件发生变形，并通过压电效应使得因压电元件变形而产生的应变能转换成电能输出。理想情况下，压电元件的变形越大，其产生的电能也越大。目前压电振动能量收集器主要通过三种结构形式实现环境振动能量的收集，它们分别是悬臂梁结构、铙钹结构和柱筒结构19,20，如图 1.所示。悬臂梁结构是最常用的压电式振动能量收集器结构，也是最简单的一种结构。在这种结构中，压电元件黏贴于悬臂梁表面，周围环境的机械振动使悬臂梁发生弯曲变形而带动压电元件发生形变，从而将振动能量转化成电能；铙钹结构的压电振动能量收集器主要由压电片和两个金属帽黏合而成，当铙钹竖直方向受力时，金属帽会将竖直方向力的一部分转变成水平分力并传递给压电片，压电片在受到拉伸作用后发生形变，从而产生感应电压；柱筒式压电振动能量收集器的结构较为复杂，如图 1.(c)所示。若干个压电柱相互黏合构成压电筒，压电筒在旋转的振动环境下发生扭转变形从而产生感应电荷。由于工业环境中一定角度的扭转振动并非普遍存在，因而这种柱筒式结构很少用于振动能量的收集中，反而在压电制动器中应用较多。由于悬臂梁式压电振动能量收集器结构简单、在实际中易于实现，因而对悬臂梁结构的压电振动能量收集器进行分析的研究者也居多。例如，Roundy建立了矩形压电悬臂梁振动能量收集器模型，并实验证明，在120Hz、2.5m/s2的振动环境下这种矩形压电悬臂梁能够产生375W的功率。Mateu对比了矩形和三角形压电悬臂梁振动能量收集器，结果表明，在三角形压电悬臂梁的长度、厚度及其固定端宽度与矩形悬臂梁的长度、厚度和宽度都分别相等的情况下，受到相同载荷作用时三角形悬臂梁产生的应变更大，输出的电能也更多。华中科技大学的胡洪平等21提出了螺旋状压电发电结构，同时对其结构性能、阻抗和外加质量对发电装置的影响规律进行了深入分析。此外，Kim和中南大学的陈子光等22分别设计和实验分析了铙钹型和柱筒扭转型压电振动能量收集器。对比上述静电式、电磁式和压电式振动能量收集器可以发现，静电式振动能量收集器可以通过硅微加工技术制造，并进行批量生产，因而这种能量收集方式有利于与其它IC工艺兼容。但是，由于需要事先给电极板加上一定的电压，所以其必须有独立电源的支持才能工作。对于电磁式振动能量收集器而言，虽然它不需要额外的电源，但由于它是通过线圈切割磁力线而产生电能的，所以它的结构一般较为复杂，体积也较大，而且对用电设备会产生电磁干扰。相比较而言，压电式振动能量收集器具有许多优势。首先，它不需要额外的电源支持，也不会对电子设备产生电磁干扰；其次，压电材料易于加工成各种厚度、大小和形状，其各项材料性能受温度的影响较小，这样制作成的压电元件性能稳定，而且便于与环境振动频率相匹配；第三，压电振动能量收集器的能量密度大、结构简单，便于实现结构上的微型化。为此，本文的研究主要围绕压电式振动能量收集器而展开。Error! Reference source not found.直观地描述了上述三种振动能量收集方式的优缺点。图 0.3 压电式振动能量收集器的三种常用结构1.3 压电振动能量收集技术研究现状及发展趋势压电材料既有正压电效应，可作为传感元件，又有逆压电效应，可作为驱动元件，因此在电子、航空航天、机械制造、生物工程和机器人等技术领域有着广阔的应用前景。英国的Stephen Roberts等于2009年提出一种新型可调谐的电磁振动微发电机，并对尺寸进行了优化设计来达到输出电压和功率的最大化。美国的S.Korla等提了一种结构紧凑的压电能量收集装置，带有由四个二极管和一个电容器组成的整流电路，并对圆形和方形两种界面的装置做了发电性能测试。阚君武，唐可洪等利用欧拉-伯努利方法建立了发电装置的能量转换模型，研究了结构及参数等对压电发电机能量转换效率及发电能力的影响规律并建立了简写激励条件下两种能量转换电路功率计算模型，并进行了模拟分析与实验验证。王光庆提出一种利用压电叠堆进行机电能量转换的压电发电装置，并采用压电振动理论和杆的波动理论建立了发电装置的机电耦合分析模型以及输出电压，电流与压电叠堆受力之间的关系表达式。程光明等设计制作了数据采集软件，可以对测试数据进行处理和显示，为研究压电陶瓷发电能力的影响提供了测试分析平台。缪建等提出一种新型的对偶子式的压电微悬臂双梁，采用简化的等效器件建立数学分析模型，并利用ANSYS对这种对偶子微悬梁臂进行了模拟仿真分析。压电发电技术的研究已经取得了很大的进展和成果，但同时也面临着更大的挑战，压电发电技术的发展主要围绕以下几个方面展开。1) 向微能源器件发展微能源器件是微机电系统的一个重要分支，而微机电系统（MEMS）则是二十一世纪的研究领域之一。微机电系统主要包括两个方面，微结构单元加工技术及微系统集成技术。微结构单元加工技术是用于制造为组件中的微米级的物件；微系统集成技术是将微组件集成在一起，并对其进行信号的控制与处理，同时提供外部宏观接口。压电发电装置产生的电力一般在微瓦到毫瓦之间，虽然电力比较小，但足以满足对微功耗系统的供电。目前，压电技术在滤波器、变压器及加速度传感器中得到了广泛的应用，随着研究的不断深入，必定将进一步推动微能源技术的发展。近十多年来，随着压电变压器的设计、制作以及应用等方面的迅速发展，已成功应用于笔记本电脑中。表0.4 三种振动能量收集方式比较转换类型优点缺点能量密度(mJ/cm3)静电式电压输出高较好的MEMS兼容性结构设计复杂需要启动电源4电磁式技术成熟无需启动电源结构较为简单难以由MEMS技术实现体积大输出电压低24.8压电式易于由MEMS技术实现输出能量密度大结构简单，无需启动电源，无电磁干扰单个压电发电机输出电能有限转换效率较低阻抗大，难于实现与负载的阻抗匹配35.42) 与旋转机械相结合目前的研究中，能量捕获装置基本上都是将周围环境中的机械振动能量转换成电能，为了控制机械振动中的噪声以及降低机械零件部件的疲劳损伤，设备的振动都在尽力的抑制，这使得能量捕获装置从振动能中获取能更为困难，但是旋转机械具有大量可转换的动能，即使是效率比较低的压电发电装置也可以为大部分电子设备提供电量。当前，已经研究出的通过旋转机械获取能量的研究装置主要有高速公路隧道中的视线导航标识等，但这类研究依然很少，因此，将压电发电技术与旋转机械相结合的研究将成为下一步的研究重点。3) 实现设备自供电便携式和无线式电子市场日趋壮大成熟，其中能量捕获是其实现自供电的关键，未来的能量捕获技术将会以能量的捕获、存储以及应用电路为主要研究方向，解决无线传感网络、嵌入式传感器等供电问题。若将能量捕获装置和状态检测设备集成，构成独立自供电、自感应单元，实现结构健康监控，将进一步推动能量捕获方法从实验室向实用发展。在一些特殊的场合，需要设备自供电运行，而自供电的关键技术是其能量捕获。而压电发电材料在这方面有着显著地优良特性，利用压电材料的压电效应和逆压电效应可以设计制作出各类检测装置与控制传感器，已满足不同场合的需求。压电材料这一突出性能使其消除了工作环境的限制，受到越来越多的关注。1.4 能量收集电路与能量转换效率由于压电振动能量收集器本身输出的电能有限，因而在对压电发电机进行理论建模和仿真分析的同时，一些研究人员也对如何提高其机械能-电能的转换效率进行了研究。又因为压电振动能量收集器自身的阻抗较大，因而对其能量转换效率的研究主要集中在其后续能量收集电路的研究上。最早的能量收集电路被称为R-AC型(或消耗型)电路，这种电路中只有一个电阻负载，压电振动能量收集器与电阻负载直接相连，如(a)所示。由于R-AC型能量收集电路最为简单，因而对压电振动能量收集器的最初研究都以此电路为主。以上文献中大部分都将振动源等效成一个单一的简谐信号，而且为了得到最大的电能输出功率，要求整个能量收集器工作于其固有振动模式下。Jiang发现，振动源频率与能量收集器固有频率的微小偏移会引起整个输出功率的大幅下降，因而就出现了对调节压电振动能量收集器的固有频率，从而使其与环境振动源振动频率匹配的方法研究。在此基础上，Umeda通过理论和仿真分析得出，在冲击振动的激励下，压电振动能量收集器的能量转换效率最大可以达到52%。接着，Roundy设计并分析了两种结构的悬臂梁式压电发电机的能量转换效率，通过对比发现理论转换效率比实验结果高出了30%。Cho对比分析了悬臂梁型、堆栈型和薄膜型的压电能量收集器，结果发现，能量转换效率主要由压电材料的品质因数和机电耦合系数决定。然而，R-AC型能量收集电路是以消耗压电振动能量收集器的输出电能来评估其能量转换效率的，而且其输出为交流电压。但是，几乎所有的电子设备都需要直流电压才能正常工作，这就促使另一种AC-DC型能量收集电路的产生。图 0.4 两种能量收集电路AC-DC型能量收集电路由整流器、滤波电容和负载电阻组成，如(b)所示。由于压电振动能量收集器经过AC-DC之后能直接输出直流电压，因此对以AC-DC负载电路为基础的能量收集电路的研究较为广泛。Ottman设计了一种降压开关电路，并实验证明了在线性负载和弱耦合的情况下，这种开关电路能够将压电振动能量收集器的输出功率提高400%。Shu对比分析了强耦合和弱耦合下压电发电机功率输出的影响因素，并指出，最优输出功率的条件因耦合强度的不同而发生变化。近年来，Guyomar提出了一种能够大幅提高压电振动能量收集器输出功率的新的能量收集电路，这种同步切换能量收集电路(synchronized switch harvesting on inductor, SSHI)来源于一种被称为同步开关阻尼(synchronized switch damping, SSD)的非线性技术。SSD非线性技术首先由Richard提出来，他指出，为了提高压电设备的能量传输效率，一般都在传输电路上添加一个电感来调节负载电路的阻抗从而实现输入输出的阻抗匹配，但是这种匹配电路在频率较低时无法发挥作用。为此，接着他提出了另一种半阻尼的匹配电路，这种电路虽然需要消耗极少的电能来工作，但它能够在较宽频率范围内实现阻抗匹配。Richard的团队以此SSD技术为基础，开发出了适合于提高压电振动能量收集器输出功率的SSHI电路，并从理论上证明了这种SSHI电路能够将在AC-DC能量收集电路下的输出功率提升400900%。然而，该团队在分析中假设压电发电机的位移和输出电压是同相位的，这就导致其理论模型只适合于共振条件下的分析，而实际应用时，压电振动能量收集器并非总是工作于共振条件下。因此，Shu在2007年首次提出了关于在非共振条件下的SSHI电路的讨论。Shu建立了串联和并联SSHI电路条件下的压电振动能量收集器模型，如图 1.所示。同时分析对比了AC-DC、串联SSHI和并联SSHI负载电路条件下压电振动能量收集器的电能输出特性。结果表明，压电发电机在串联SSHI电路下的电能输出与并联SSHI电路条件下的截然不同。理想串联SSHI系统的电能输出特性与开路共振频率下的强耦合AC-DC电能收集系统的电能特性基本上相同的，而理想并联SSHI系统的输出电能与工作在短路共振频率下的强耦合AC-DC电能收集系统的电能特性类似。他同时指出，如果考虑开关电路使电压反转过程中的损耗，那么在中度耦合时串联SSHI系统的输出功率与AC-DC系统是相反的，它的输出功率幅值接近于理想最优功率，而且其功率值随着频率的下降而减小的幅度较小。相对而言，在考虑损耗时，并联SSHI系统的输出功率相对频率变化的敏感度要明显大于串联SSHI系统。在Shu研究的基础上，虽然其他研究者也对SSHI能量收集电路进行了更为详细的补充和完善，但是大部分研究都只停留在理论分析层面上，涉及到仿真或实验的研究较少。图 0.5 串联和并联SSHI能量收集电路2 压电发电技术机理研究2.1 压电能量转换基本理论2.1.1 压电效应压电发电技术是以压电材料特有的压电效应来实现的，压电效应反映了一些晶体材料的弹性性能与介电性能之间的机电耦合过程。1880年J. 居里和P. 居里兄弟发现了压电效应。他们发现，a 石英晶体在外力作用下发生形变时，其内部会产生电极化，同时在它的某些表面上会出现符号相反且与外力成正比的极化电荷，如果在晶体的两个相对表面上涂上金属电极，则可在金属电极上检测到感应电荷或电势，这种没有电场作用，只是由外力作用而使晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应，如图 2.1(a)所示。振动式能量收集器就是利用正压电效应将机械能转换成电能的。与正压电效应对应的是逆压电效应，它是指将某些晶体材料置于外电场中，电场使晶体内部正负电荷中心发生相对位移，导致形变，从而由“电”产生“机械形变”的现象，如图 2.1(b)所示。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变成机械能的能力，因此利用逆压电效应一般可以制成压电式位移或力执行器。图 0.1 正逆压电效应示意图目前已出现的压电材料大致可分为两大类，一类是压电单晶体，另一类是压电陶瓷。前者的代表是石英晶体，它的突出特点是性能稳定、机械强度高，而且绝缘性能好，但是它的压电系数较小，且价格较贵，一般仅用在标准仪器的制作中。后者主要包括钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PbZrTiO3，PZT)，相对BaTiO3而言，PZT具有压电常数大、机械强度高、机械刚度大、灵敏度高、介电常数大、制作工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能，而且成型工艺性好以及成本低廉等优点，目前在制动器和传感器中被广泛应用。因此，本文以PZT压电陶瓷材料为基础，对压电振动能量收集器进行分析研究。2.1.2 压电方程在对压电材料的能量转换机制的研究中，对其边界条件的界定是一个重要的方面，只有确定了边界条件形式，才能决定压电材料的力学和电学边界状态。从机电耦合的角度来说，压电材料能够处于不同的机械边界条件和电学边界条件，机械边界条件有两种：机械自由和机械夹持。所谓机械自由是指压电材料可以自由变形，此时的应力为零或常数；机械夹持是指压电材料不能自由变形，此时的应变为零或常数。电学边界条件也有两种：电学短路和电学开路。电学短路是指连接两个电极的外电路中的电阻远远小于压电陶瓷的内阻，此时的电场强度为零或为常数；而电学开路是指连接两个电极的外电路中的电阻远远大于压电陶瓷的内阻，此时的电位移为零或为常数。将两种机械边界条件和两种电学边界条件进行组合，可以得到压电材料的四类不同边界条件，如表2.1所示。根据下表所述的四类边界条件，选择不同的自变量和因变量从而得到四类压电方程，它们反映了压电材料中的力学量(, )与电学量(, )之间的相互关系。这四类压电方程的形式会因压电材料的不同而有所差别，这主要是因为不同压电材料的对称性不同，从而引起压电方程中力学和电学参数的独立分量的个数有所差别。表 0.5 压电材料的四类边界条件类别边界条件特点(表示常数)第一类边界条件机械自由和电学短路；第二类边界条件机械夹持和电学短路；第三类边界条件机械自由和电学开路；第四类边界条