壓電發電技術發展及其在引信中的應用探索

陳永超，高敏，俞衛博

(軍械工程學院，河北石家莊050003)

壓電發電技術發展及其在引信中的應用探索

陳永超，高敏，俞衛博

(軍械工程學院，河北石家莊050003)

壓電發電技術已取得了一定的研究進展，在無線傳感器網絡、道路等方面展現出廣闊的應用前景，但其在引信中的應用仍僅局限于引爆雷管。針對現代智能引信對彈載電源的需求，提出了壓電發電技術應用于引信需要解決的幾個問題，綜述了壓電發電技術的基本原理、發展現狀及其在現代智能引信中的應用，認為利用壓電發電技術為引信持續供電是可行的，且具有較好的應用前景。

壓電發電；引信電源；引信

在引信中，壓電發電技術已被用于引爆雷管[1]。但在現代智能引信中除引爆雷管外，引信的信息接收和處理、起爆控制和安全控制、發動機點火控制、彈道修正控制以及引爆或引燃戰斗部裝藥等均需有電源為其供電，這就為壓電發電技術在引信中的應用提供了更廣闊的空間。為了使現代智能引信對供電裝置的需求與壓電發電技術相結合，本文對壓電發電技術及其在引信中的應用進行探討。

1 壓電發電技術應用于現代智能引信需要解決的幾個問題

隨著新原理、新技術、新方法在以信息和控制為作用過程核心的智能彈藥和新型引信中的廣泛應用，引信供電裝置除應滿足可靠性、安全性、環境適應性、長儲性、耐高過載和抗電磁干擾等傳統技術要求外，還需具有快激活及全彈道供電等技術特點。因此，將壓電發電技術應用于現代智能引信還需解決以下問題：

(1)引信壓電電源應具備“三化”(通用化、標準化、系列化)、小型化和經濟性等戰術使用特征

裝備的化學電池有多個系列多個型號，且每種型號有專門的裝備應用背景，不能通用于其他裝備，因此壓電電源在發展之初就應將“三化”作為其發展目標之一，同時“三化”的實現有助于縮短裝備型號研制的周期。引信的微小型化是現代引信發展的方向之一，而電源的大小直接影響著引信的微小型化，且電源的小型化可為智能彈藥的設計提供更多的空間余量。引信電源的經濟性如何則決定了戰略動員中的快速性、資源籌措來源的廣泛性。

(2)提高瞬態沖擊下的非線性機械能量的收集效率

彈藥發射時產生的沖擊能量遠遠大于現代引信工作所需的微量電能，但若要利用壓電材料將其直接轉換為電能目前還無法實現，因此根據引信特殊工作環境為壓電電源設計對應的機械能量收集與儲存機構，將瞬態沖擊機械能儲存起來并轉換為持續的能量形式(如振動能)，延長外部載荷隨壓電元件的作用時間，增加壓電電源的電能輸出，已成為壓電發電技術應用于引信上的關鍵技術之一，所以高的能量收集效率才能保證壓電發電技術應用于現代引信的可能性。

(3)提高壓電換能器的機電轉換效率

利用壓電材料的正壓電效應將機械能轉換為電能是壓電發電技術的核心。通過材料的優選可在一定程度上提高壓電電源的發電性能，但仍不能滿足現代引信對壓電電源的需求。還需對壓電換能器的結構進行改進，充分利用壓電材料的各向壓電模式，保證其工作頻率與能量收集裝置頻率(如振動頻率)相一致，以提高其機電轉換效率。

(4)開發適用于引信的電能收集與管理電路

由壓電換能器將機械能、動能等轉換而獲得的電能一般不能夠直接滿足引信電路的正常工作需求，在壓電換能器和耗能電路之間需要加入電能收集與管理電路。作為電路元件，其功耗，耐過載性，與換能器、耗能電路之間的連接，以及工作時的可靠性、穩定性等都會對壓電發電技術在引信中的應用產生較大的影響。

(5)保證全彈道供電

區別于傳統彈藥和引信，由高新技術催生的智能彈藥、新型引信的最大特點在于充分利用目標信息、環境信息、平臺信息和網絡信息，通過控制電路和執行機構在全彈道上的不同階段，完成安全控制、姿態檢測與控制、目標探測與識別以及起爆策略控制。這要求引信壓電電源系統能夠在全彈道的不同階段，為信息采集部件、信號處理電路、安全控制、發火控制電路以及動作執行機構供給工作電能。

2 壓電發電技術的發展現狀

2.1 壓電振子發展現狀

2.1.1 懸臂梁式壓電振子

懸臂梁式壓電振子以其諧振頻率低、結構簡單、易于實現等特點成為種類眾多的壓電換能器中發展最為成熟的一種。

哈爾濱工業大學的單小彪等[2]對金屬基板材料、基板厚度與壓電片厚度對壓電梁發電能力的影響進行了數值模擬與有限元仿真分析，結果表明，當壓電片與基板厚度比為0.5時，壓電振子輸出功率最大。

Liao[3]對一種壓電單晶片和兩種壓電雙晶片進行了研究。研究結果表明，當負載和激振力頻率較低時，壓電單晶片產生的能量較高；當負載阻抗和激振力頻率居中時，并聯壓電雙晶片輸出的能量較高；當負載阻抗和激振力頻率較高時，串聯壓電雙晶片輸出的能量較高。

Jordi等[4]通過對歐拉-伯努利懸臂梁偏微分方程和線性耦合壓電方程的研究，建立了描述多層結構壓電懸臂梁機電耦合行為的方程，實驗表明，該模型與仿真結果基本一致，共振頻率僅有不到4%的誤差。

Mateu等[5]對矩形和三角形懸臂梁結構壓電振子進行了對比研究，在懸臂梁固定端寬度和三角形懸臂梁厚度與矩形懸臂梁厚度相等的情況下，在受到相同的載荷作用時，三角形懸臂梁產生的應變更大，產生的電能更多。

2.1.2 圓形壓電振子

Ericka等[6]對圓盤式壓電振子發電性能進行了研究，結果表明，在諧振頻率下，當壓電振子受到加速度2 g的作用力，1 MΩ負載情況下，能產生24 V電壓，在相同頻率、加速度條件下，56 kΩ負載情況下最大輸出能量達1.8 mW。

王宏祥等[7]設計了一種圓錐形夾心式壓電換能器并進行了實驗分析。研究結果表明，換能器的固有頻率與長度近似反比關系，與直徑成非線性關系，在一定范圍內，前蓋板圓錐角與固有頻率近似正比關系。

向陽等[8]對圓環形壓電陶瓷的徑向厚度振動進行了分析，推導出壓電陶瓷圓環的諧振和反諧振頻率方程，采用圖像法求解得到諧振頻率，與實際測量結果的誤差小于1%。

2.1.3 其它結構形式的壓電振子

Xu[9]提出一種附加月芽型金屬結構的換能器，首次給出了物理復合的研究成果。之后，美國賓夕法尼亞州立大學材料實驗室的Newhamn等[10]對該結構進行了改進研究，提出鈸式(Cymbal)壓電振子，其基本結構形式如圖1所示。國內學者也對該結構形式進行了一系列研究[11-12]。

圖1 鈸式壓電振子

香港理工大學Wang等[13]研制出一種鼓形壓電振子，結構如圖2所示。在預緊力為0.15 N、周期作用力為0.7 N的條件下，鼓形壓電振子在諧振頻率590 Hz、負載18 kΩ上獲得11 mW的功率。當預緊力變大時，諧振頻率減小，俘能功率增加。

圖2 鼓形壓電振子

2.2 能量收集轉換電路的發展現狀

Kim等[14]用一組全橋整流器和電容組成標準能量存儲電路對Cymbal換能器進行了實驗研究。Han等研制了一個由整流器和DC-DC轉換器組成的能量收集轉換電路，理論分析和實驗測試結果表明，該電路比標準能量儲存電路的能量回收效率提高了400%。

經過一系列優化后相繼產生了SECE接口電路、串聯SSHI接口電路、并聯SSHI接口電路。Lefeuvre和Guyomar等對以上三種電路及標準電路進行了比較，研究結果表明，當激振力大小不變時，這四種電路的最大輸出功率相等；當激勵振幅不變時，標準電路輸出功率最低，且與后續電路等效負載有關。而SECE電路回收功率不受負載阻抗的影響，且比標準電路最大回收功率提高了400%。在最優負載條件下，兩種SSHI電路回收功率比標準電路提高了1 500%[15]。

南京航空航天大學的沈輝[16]提出了一種增強型同步開關回收電路(ESSH技術電路)。這種電路不僅比標準電路的回收功率提高了300%(提高倍數隨著應用更低耗的電感而提高)，同時克服了原有串聯同步開關電感方法回收功率隨負載變化而變化的缺點。

3 壓電發電技術在現代智能引信中的應用探索

雖然壓電發電技術在破甲彈等引信中已有應用，但其僅起引爆雷管的作用。如何提高引信中壓電電源的發電量，使其在引信中發揮更大的作用，引起了國內外學者的廣泛關注。

西安機電信息研究所[17]對引信用氣流諧振發電機壓電振子的頻率進行了分析，對氣流諧振發電機進行了實驗室模擬吹風實驗，得出發電機的輸出與風速成正比的結論。南京理工大學的溫都蘇[18]對引信振動式壓電發電機進行了研究，提出了利用功率因數校正電路使發電機輸出連續電流從而增加發電機能量利用率的方法。南京理工大學的徐偉[19]結合引信對電源的技術要求、MEMS工藝技術和壓電材料的發電特性等設計了一種小型的氣流激勵發電裝置，如圖3所示。

圖3 引信MEMS壓電膜片式氣流激勵電源結構

南京理工大學的李映平[20]針對現代引信對電源的快激活特性要求，對多層壓電電源進行了研究。多層壓電電源主要由多層壓電堆疊、充電電路和DC/DC變換器組成。通過研究建立其數學模型，并進行了仿真，計算時采用了某37高炮的發射數據，當儲能電容為30μF時，儲能電容的電壓在彈丸出炮口時達到18 V，儲存的能量為4.86 mJ，從彈丸發射到儲能電容電壓充電達到5 V的時間為250μs左右，其快速充電特性能夠滿足彈丸出炮口前供電的要求。

軍械工程學院的黎輝[21]設計并制作了一種引信自維持壓電電源，如圖4所示。該電源能夠將外部沖擊載荷轉換為自維持激勵源，延長作用于壓電換能器上載荷的持續時間，并結合所設計的電能收集管理電路，將產生的交流電轉換為適合引信的直流電，從而實現了壓電電源的持續供電。利用所搭建的實驗測試系統進行了模擬實驗，結果表明，該電源激活時間＜3 ms，輸出電壓(5±0.1)V，輸出電流臆50 mA，持續供電時間＞3 s。

圖4 引信自維持壓電電源

國外研究方面，1999年Oberlin[22]取得發明專利，提出了利用彈丸發射時產生的后坐力作用在多層壓電疊堆上來發電的壓電式電源，可用于給引信低功耗處理電路和起爆電路供電。2002年C.Keawboonchua[23]對這種多層壓電電源進行了計算機仿真研究和重物跌落實驗、彈丸發射沖擊實驗，在彈丸發射沖擊實驗中得到了58.2 A的峰值電流、28.4 W的峰值功率和517 kW/cm3的峰值比功率。在2007～2009年的美國引信年會上，紐約州立大學石溪分校相繼提出了幾種新型引信壓電發電裝置，并申請了專利，如圖5所示，當彈簧彈性系數=5伊105N/m，等效質量=4 g時，可使彈簧在受到13 000 g加速度過載時完全收縮，彈簧總變形量為1 mm，此時電源能夠收集約500 mJ的能量。2010年，Jahangir Rastegar提出了改進措施以提高這種電源裝置的抗高過載能力，改進后的結構如圖6所示，它由彈簧-質量塊單元和成套的預載壓電發電單元兩個模塊構成。當電源承受過高載荷時，彈簧-質量塊單元將接觸壓電發電模塊的外殼頂部，阻止彈簧進一步前進，從而防止壓電元件因承受過高載荷而損壞。

圖5 沖擊式壓電發電裝置

圖6 模塊化抗高過載壓電發電裝置

4 結論

本文根據現代智能引信對電源的需求，提出了壓電發電技術應用于現代智能引信需要解決的問題，并對壓電發電技術的研究現狀及其在引信中的應用進行了介紹。本文認為利用壓電發電技術將彈藥發射時的沖擊能及彈藥飛行過程中的振動能轉換為電能為引信供電是可行的，但還需解決耐高過載、持續供電、微小型化等實際應用問題。

[1]王衛民，許有法，齊杏林，等.彈藥系統分析與設計[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2]單小彪，袁江波，謝濤，等.懸臂梁單晶壓電振子發電的理論建模與仿真[J].浙江大學學報：工學版，2010，44(3)：528-532.

[3]LIAO W H.Sensitivity analysis and energy harvesting for a selfpowered piezoelectric sensor[J].Intel Mater Syst Struct,2005,16: 785-797.

[4]JORDI B P,MANEL P V.Electromechanical model of a multi-layer piezoelectric cantilever[C]//Proceedings of 7th International Conference on Thermal,Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in MEMS.Milano,Italy:7th International Conference,2006:1-7.

[5]MATEU I，MOLL F.Optimum piezoelectric bending beam structures for energy harvesting using shoe inserts[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2005，16:835-845.

[6]ERICKAM,VASIC D,COSTA F,et al.Energy harvesting from vibration using a piezoelectric membrane[J].Physique Coll,2005, 128:187-193.

[7]王宏祥，白洋，胡靜，等.圓錐型壓電換能器的動態設計與實驗研究[J].機械設計與制造，2012(3)：6-8.

[8]向陽，王麗坤.壓電陶瓷圓環徑向厚度振動分析[J].壓電與聲光，2012，34(4)：561-564.

[9]XU Q C，YOSHIKAWA S，BELSICK J R，et al.Piezoelectric composites with high sensitivity and high capacitance for use at high pressures[J].IEEE Tram UFFC,1991，38(6)：634-639.

[10]NEWNHAMN R E，DOGMA A，XU Q C.Flextensional“moonie”actuators[J].IEEE Ultrasonics Symposium，1993，44(2)：1270.

[11]楊慶峰，張愷.發射型鈸式換能器的研究[J].艦船電子工程，2011，31(11)：147-149.

[12]GUO S,GUO J F.Analysis of cymbal piezoelectric generator's effective piezoelectric strain constant[J].Journal of Mechanical& Electrical Engineering,2012,29(4):443-446.

[13]WANG S,LAM K H,SUN C L,et al.Energy harvesting with piezoelectric drum transducer[J].Applied Physics Letters,2007, 90:113506-113509.

[14]KIM H W,BATRA A,PRIYA S,et al.Energy harvesting using a piezoelectric cymbal transducer in dynamic environment[J].Japan Journal of Applied Physics,2004,43(6):178-183.

[15]HU Y,XUE H,HU T,et al.Nonlinear interface between the piezoelectric harvesting structure and the modulating circuit of an energy harvester with a real storage battery[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency control,2008,55(l):148-160.

[16]沈輝.基于壓電材料的振動能量回收電路及其應用研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[17]雷軍命.引信氣流諧振壓電發電機[J].探測與控制學報，2009，31 (l)：23-26.

[18]溫都蘇.引信氣流振動壓電發電機功率校正增能技術[D].南京：南京理工大學，2012.

[19]徐偉.基于壓電發電原理的引信微機電式氣流激勵電源設計研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[20]李映平.引信壓電發電機原理及試驗研究[D].南京：南京理工大學，2006.

[21]黎輝，高敏.基于壓電陶瓷的引信物理電源的建模與設計[J].功能材料，2011，42：292-295.

[22]SEGAL D,BRANSKY I.Testing of a piezoelectric generator for in-flight electrical powering of projectile guidance systems[J].Ferroelectrics,Gordon&Breach Science Publ Inc,1997,202:81-85.

[23]KEAWBOONCHUAY C,ENGEL T G.Design,modeling,and implementation of a 30-kW piezoelectric pulse generator[J].IEEE Transactions on Plasma Science,Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2002,30(2):679-686.

Piezoelectric power generation technology and application in fuze

CHEN Yong-chao,GAO Min,YU Wei-bo

In the last few years,there was a surge of research in the area of piezoelectric power generation technology.Numerous doors were opened for power harvesting systems in practical real-world applications.But in fuze,the piezoelectric power generation was used to detonate primer only.Making full use of piezoelectric power generation in smart fuse was reviewed.Aiming at the requirement of smart fuze,several problems of piezoelectric power generation technology should be resolved before being used in smart fuze.The basic principles,development and application in smart fuze were overviewed.Using piezoelectric power generation technology to power for fuze durative was considered to have batter prospects.

piezoelectric power generation;fuze power;fuze

TM 91

A

1002-087 X(2015)03-0640-04

2014-08-05

陳永超(1989—)，男，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為引信系統分析與設計。