基于壓電陶瓷的環境振動驅動微型壓電發電裝置設計

豆高雅

(榆林市瀚霆化工技術開發有限公司 陜西 榆林 718100)

隨著微電子技術、無線電技術的飛速發展，手機、mp3、數碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、商務通等電子產品極大的豐富和方便了人們的生活和工作，大量的無線電傳感器也開始大量應用到生產生活當中[1]。但在能量供給領域，依然采取著傳統的供能方式，即利用化學能電池作為主要的能量供應裝置[2]。雖然化學能電池以方便的特點被廣泛使用，但是其需要經常更換電池或充電、材料浪費、污染環境、回收困難等問題也日益突出[3]。當今，沒有更好的替代產品來代替化學能電池，因此仍然大量地生產和使用，電池市場上化學能電池幾乎占據所有份額[4]。

至今，人們已經開發了太陽能電池、風能發電裝置、溫差發電裝置等電源，但由于它們體積大、環境依賴性強、在不滿足其環境要求下就無法持續提供電能。最近，無線傳感器網絡技術得到了巨大的發展，無線傳感器網絡技術廣泛運用于農田野外檢測和鐵路貨車的運行狀態參數檢測和安全監測，隨著無線網絡節點數量的增加，利用電纜提供電能成為難題[5]；利用一般的化學電池，則需要經常更換或充電，花費大量人力而且污染環境。

近年來利用壓電材料進行能量收集的研究越來越受到關注，其節能環保的特性也備受青睞。利用壓電材料制作的壓電發電裝置具有環保、結構簡單等優點[6]。而筆者發明的環境振動驅動微型壓電發電裝置結構簡單、體積小、重量輕、能量密度高、壽命長、能量可靠、對環境適應性強，對人體和環境無害、環保節能，沒有電磁干擾、能同微加工工藝兼容和與微機電系統(MEMS)集成，經不斷改進后可制成手機電池大小甚至更小，價格便宜，可產品化，易推廣，具有很大市場價值。

1 設計方案

1.1 功能描述

本裝置是基于壓電陶瓷的環境振動驅動微型壓電發電裝置，主要是收集環境中的振動能量，根據壓電效應把振動能量轉化為電能存儲起來，以供應各種用電設備。它主要由電路部分和機械部分2部分組成，電路部分包括整流、濾波、穩壓和存儲電路，機械部分包括由壓電陶瓷片、可調金屬重物和壓電彈簧片組成的壓電振子、透明上殼和硬塑底座。

系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1系統總體設計框圖

1.2 裝置內部結構及整體外觀

圖2 裝置內部結構圖

本壓電發電裝置采用了硬塑作為底座，透明藍色上殼，輕巧美觀，底座有兩個固定圓孔，方便安裝和移植，透明上殼可拆開，壓電振子一端被固定于底座的固定端，另一端安裝了一個可調節的金屬重物，用于調節壓電振子的固有頻率，跟外界達到共振的狀態，可以輸出最大功率，壓電振子是由一個彈簧片和數片壓電陶瓷構成的。轉換和存儲電路置于壓電振子下面。壓電發電裝置內部結構圖及整體外觀圖如圖2和圖3所示。

圖3 裝置整體外觀

1.3 電路部分

對于壓力發電，最大的難題就是電能的存儲。因為用壓電陶瓷片產生的電是交流脈沖電流，對于這種電流是很難將它存儲的，因為電流很微弱且方向不穩定，而電存儲的技術用的都是直流儲電。所以首先要把交流脈沖電流經過整流器變成直流電，再進行存儲。對于發電系統的模型，用2個1F的大電容存儲電能，再利用鋰蓄電池進行大容量蓄電。

圖4 電路整體原理圖

電路整體原理圖如圖4所示。由于壓電振子產生的是正負交替變化的交流電，在存儲前，必須采用整流電路進行整流。在連續周期性激勵的情況下，壓電轉換模塊產生的交流信號近似于正弦信號。該模塊的工作原理如圖4所示。壓電轉換模塊輸出交流信號經整流后變成直流，此時的直流電壓不穩定，存在交流諧波分量。濾波電路由電容組成，它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中脈沖成分濾掉得到比較平滑的直流電壓。經過整流濾波后電壓接近于直流電壓，但其電壓值的穩定性很差。因此，還必須有穩壓電路，以維持輸出直流電壓的基本穩定。

1.3.1 整流方案論證

整流的方法主要有單相波整流、全波整流和倍壓整流，因為壓電振子輸出電流微弱，整流方法的選擇非常重要，而整流方法各有優缺點，下面將對其一一進行比較。

1)單相波整流。單相半波整流利用二極管的單向導通性，使流經整流電路的正弦電壓Vr出來時只有半個周期可以到達負載，在負載上得到的電壓是以單方向的脈動直流電壓，脈動大、利用效率低。

2)全波整流電路。半波整流電路中，負載上只能得到正弦電壓波形的一半，另外一半被舍棄掉了，所以整流效率很低。全波整流電路能把正弦交流電的正、負兩個半波都利用起來，輸出電壓的脈動度會大大減小，整流效率也將得到顯著提高。全波整流電路是在半波整流電路的基礎上加以改進而得到的，是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個二極管配合，使兩個二極管在正半周和負半周內輪流導電，而且二者流過負載的電流保持同一方向，從而使正、負半周在負載上均有輸出電壓。其中橋式整流電路為典型應用。

3)倍壓整流電路。倍壓整流常用于一些需用較高電壓、負荷電流較小的地方，在一般的整流電路中，若變壓器的變比已確定，則輸出電壓平均值的上限就被確定，通常橋式整流電路因為二極管存在著正向壓降，電壓峰值經整流后會有所下降。而使用倍壓整流電路就可以提高輸出電壓平均值。因為壓電振子輸出的功率是一定的，當電壓提高時，相應的電流峰值會有所下降。壓電振子的電壓可以通過壓電陶瓷片的串聯來提高，但是壓電振子的輸出電流卻很難提高，需要并聯很多壓電陶瓷片。所以倍壓整流電路不適合本壓電發電裝置。

綜上所述，選擇全波整流電路為整流方案中效率最高、最合適的方案。

1.3.2 存儲電路方案論證

大部分用電設備對電源都有電壓、功率大小和穩定性等嚴格要求，而壓電振子產生的電能瞬時功率相對較小，不能直接為用電設備提供能量。但是振動是時刻存在的，只要周圍環境有振動壓電發電裝置就可以輸出電能，但是用電設備只是在某段時間需要電源，所以需要在利用壓電振子產生的電量之前先進行電荷的累積。因此，高效的收集、儲存能量的方法就成為壓電發電裝置的輸出電能要解決的關鍵問題。

普通電解電容具有充電速率快和充電電路簡單的優點，可以在壓電振子發電量極小的情況下快速充電，但由于存儲容量小、自由狀態下易漏電等缺點，只能為微電子設備提供短暫性、間歇性的能量。超級電容具有容量大、壽命長、過電壓不擊穿和自由狀態下不漏電等優點，可以代替普通電容作為一種連續、穩定的電源。作為壓電發電裝置第一級的電荷收集非常合適。鋰電池具有能量密度高、生命周期長和容量保持性好的特點，也適合作為第二級的能量存儲。

所以本方案采用了一個1F的超級電容作為第一級的電荷收集儲能元件，采用了鋰電池作為第二級能量存儲元件。轉換和存儲整體電路圖如圖5所示。

輸入為壓電陶瓷的輸出電壓，是交變電壓。經過整流橋D3整流和電容C3、C1濾波后，變為直流電壓。MAX666為美國MAXIN公司生產的微功耗、低壓差CMOS線性穩壓集成電路，其輸入電壓范圍為2～16.5 V，輸出電壓既可為5 V固定輸出又可為1.3～16 V可調式輸出，最大輸出電流為40 mA。本電路為3.7 V輸出，對超級電容C2充電。

圖5 轉換和存儲整體電路圖

MAX666的管腳引線功能簡介表1所示。

表1 MAX666的管腳引線功能簡介

1.4 機械部分

1.4.1 結構設計

環境振動驅動微型壓電發電裝置的裝置內部結構圖和裝置整體外觀圖如圖6和圖7所示，由一塊壓電彈簧片、數片壓電陶瓷、可調金屬重物、硬塑底座、透明上殼和電路板組成的。

圖6 裝置內部結構圖

壓電陶瓷片：壓電振子是由表面覆蓋電極且具有一定形狀的壓電陶瓷片制成。把壓電陶瓷與銅連接在一起構成壓電復合振子。如圖8所示為薄圓板結構壓電復合振子結構模型。

圖7 裝置整體外觀圖

圖8 薄圓板壓電結構模型

1.4.2 設計理念

在一定的應變范圍內，壓電彈簧片的平均應變越大，高應變能區間越大，壓電陶瓷布置在壓電彈簧片上的數量越多，壓電陶瓷從外界吸收的能量越大，發出的電能越多。壓電彈簧片的最大位移越大，壓電彈簧片達到最大位移的時間越長，振動的空間受到限制，壓電陶瓷發出的電能不理想。由于壓電彈簧片處于高頻率振動，壓電彈簧片受到的最大應力越大，其抵抗破壞的能力(強度)越差，抵抗彈性變形的能力(剛度)越差。

1.4.3 壓電彈簧片仿真分析及試驗測試

利用ANSYS有限元分析軟件，通過采用控制變量法對直徑為20 mm的壓電陶瓷，壓電彈簧片面積為1×104mm2，不同尺寸，不同材料的振動片進行靜力學分析和模擬分析得出壓電彈簧片的最大應力、最大位移、應變分布情況，從而確定最佳材料和尺寸的壓電彈簧片。

壓電陶瓷直徑為20 mm、壓電彈簧片面積為1×104mm2，對Fe2O、Steel、PVC、鋁合金，改變其尺寸，進行靜力學分析和模擬分析得出如表1、表2、表3、表4的實驗數據。

表2 Fe2O壓電彈簧片仿真分析

表3 Steel壓電彈簧片仿真分析

表4 PVC壓電彈簧片仿真分析

表5 鋁合金壓電彈簧片仿真分析

1.4.4 仿真測試試驗結果分析

壓電彈簧片面積一定時，規格為200 mm×50 mm×1.5 mm壓電彈簧片的高應變能區域面積是最大的，即壓電陶瓷有效的布置面積最大，因此在這區域內可以布置的壓電陶瓷片數量也就最多。

規格為330 mm×30 mm×1.5 mm振動薄片，經仿真分析，其局部最大應力為340 MPa，而壓電彈簧片長期要處于高頻振動，其剛度和強度較差，因此局部的高應力會大大縮短壓電彈簧片的壽命。

規格為120 mm×80 mm×1.5 mm振動薄片，局部應力很小，但是由于長度短造成了其平均應變很小，其應變能也隨著變小，不能為壓電陶瓷提供足夠高的能量。

結論：在尺寸方面，200 mm×50 mm×1.5 mm規格是最理想的。

不同材料之間(研究規格為200 mm×50 mm×1.5 mm的振動薄片)：

1)對比三種金屬材料，Fe2O和鋁合金材料綜合性能是比較理想的，Steel鋼由于硬度過高，其局部應力較大，應變小于其它三種材料，因此不能符合壓電陶瓷的應變要求。

2)對比Fe2O和鋁合金材料，可知Fe2O應變和高應變能區間都要比鋁合金材料略高，而壓電彈簧片最大位移和最大應力要比鋁合金材料稍小，因此Fe2O的應變綜合性能要比鋁合金材料更好。

3)對比Fe2O和PVC材料，在局部應力方面，PVC材料要比Fe2O小得多，而且在應變和高應變能區間方面，PVC材料要比Fe2O高，從這幾方面來看，PVC材料綜合性能比較好，但PVC的最大位移是Fe2O材料的2倍還多，這表明在滿足應變需求的前提下，PVC的壓電彈簧片達到最大位移的時間越長，振動的空間受到限制，壓電陶瓷發出的電能不理想。

結論：在材料方面，Fe2O材料的振動片的綜合性能是最佳的。

綜上所述： 200 mm×50 mm×1.5 mm規格的Fe2O壓電彈簧片的平均應變、高應變能面積比較大，可布置的壓電陶瓷數量多，壓電陶瓷從外界吸收的能量大，發出的電能最為理想，其最大位移、最大應力比較小，壓電彈簧片的剛度和強度較好，振動空間較為理想，因此選擇200 mm×50 mm×1.5 mm規格的Fe2O壓電彈簧片作為慣性振動式壓電發電裝置的振動片。

Fe2O壓電彈簧片仿真模擬(200 mm×50 mm×1.5 mm規格)如圖9、圖10、圖11所示。

圖9最大應力仿真模擬 圖10最大位移仿真模擬

圖11 應變仿真模擬

2 壓電發電的基礎理論

2.1 壓電效應

當對壓電陶瓷施加一個與極化方向平行的壓力F，如圖12(a)，晶體將產生壓縮形變(圖中虛線)，晶體內的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現放電現象。當壓力撤消后，晶體恢復原狀(這是一個膨脹過程)，晶體內的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現充電現象。這種由機械效應轉變為電效應，或者由機械能轉變為電能的現象，就是正壓電效應。相反的，若在壓電晶體上加一個與極化方向相同的電場，如圖12(b)，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，晶體內的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，晶體沿極化方向產生伸長形變(圖中虛線)。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則晶體沿極化方向產生縮短形變。這種由于電效應而轉變為機械效應或者由電能轉變為機械能的現象，就是逆壓電效應。

(a)正壓電效應 (b)逆壓電效應

圖12壓電陶瓷的壓電效應

2.2 壓電材料的介紹

壓電材料品種很多，性能各異，主要有壓電晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復合材料、玻璃陶瓷和弛豫電單晶體等。其中，壓電陶瓷具有優異的壓電性能，應用也最為廣泛。

壓電陶瓷比任何單晶體材料具有多方面的適應性，在物理和化學性質上，比一般晶體也要好得多，并且可以做成任何需要的形狀和大小；同時，可以自由選擇其極化方向，加工成本較低。作為換能元件，壓電陶瓷可以通過改變壓電陶瓷的化學成分組成或添加雜質改變其各方面的性能，以適應各種不同的用途。壓電陶瓷通過壓電效應轉換，即使在靜態和準靜態條件下工作，也能轉換K2W機的電能(K是機電耦合系數，K2是衡量機電能量轉換的能力)。選擇其中壓電系數d高，機械強度高，反復加壓后性能穩定，介電常數較大的材料，可作為較理想的發電工作物質。

其中，機電耦合系數K是表示壓電體中機械能與電能之間相互耦合程度的一個參數，是衡量壓電性能優劣的一個綜合物理量。它的定義為：

機電耦合系數K值主要由壓電材料的種類確定，壓電材料的機電耦合系數在不同需要場合有不同的追求，當制作壓電發電裝置時，機電耦合系數越大越好。

相對介電常數ε反映材料的介電性質或極化性質。不同用途的壓電元件對相對介電常數要求也不相同。通常壓電元件在高頻狀態工作時，相對介電常數ε要小，反之要大一些。

壓電應變常數d是表示當在壓電陶瓷上施加電壓時，它就會產生某種變形，反映這種電學量與變形量(或力學量)之間的關系的就是壓電應變常數。其定義(無外力作用時)為：

d值越大，表明電-機轉換性能越好。

表6 幾種型號的壓電陶瓷的壓電介電性能

壓電陶瓷中的PZT-5具有高機電耦合系數、高壓電應變常數和高電阻率，各機電參數具有良好的時間穩定性和溫度穩定性，適合作為壓電振動微型發電機的換能元件材料。

2.3 壓電陶瓷的串聯與并聯

為了使壓電發電裝置在較小的激勵強度、較寬的頻率范圍內都具有發電能力，可以采用多個壓電陶瓷并聯或串聯的壓電振子結構方式。

圖13(a)為并聯方式，片上的負極集中在中間極上，其輸出電容C＇為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q＇為單片電荷量q的兩倍，即q＇=2q，U＇=U，C＇=2C。

圖13(b)為串聯方式，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間極板上產生的負電荷與下片產生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q＇等于單片電荷q，而輸出電壓U＇為單片電壓U的二倍，總電容C＇為單片電容C的一半，即q＇=q，U＇=2U，C＇=C/2。從而可知，若采用并聯接法，輸出電荷大，時間常數大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合；若采用串聯接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。

由于壓電陶瓷的內阻很大，輸出電流很小，所以本裝置采用多片壓電陶瓷并聯和串聯。并聯可以提高壓電振子輸出的電流，串聯可以提高壓電振子的輸出電壓，為后面轉換提供足夠的功率。

(a)并聯型 (b)串聯型

3 實驗及制作

3.1 實驗預測方案

通過初步對單片壓電陶瓷片進行測試，電壓在4～15 V之間變化，電流為20～30 uA之間，進行理論計算。本裝置采用多片壓電陶瓷片并聯同時進行串聯如圖14和圖15所示，設每片的電流為i，電壓為v，壓電振子輸出的總電流為I，總電壓為V總共使用了2n片壓電陶瓷片，分成P1、P2兩組分別進行并聯，貼在壓電彈簧片的兩邊，貼在壓電彈簧片的兩組壓電陶瓷片的極性方向相同。根據3.3壓電陶瓷的串聯和并聯的原理可以得到下面的公式：

I=ni

(1)

V=2v

(2)

當取n=6時，經計算總電流在120～180 uA之間，總電壓在8～30 V。

圖14壓電振子正面 圖15壓電振子反面

3.2 實物實驗測試

實驗采用的壓電陶瓷片：PZT-5換能陶瓷片；實驗采用的壓電彈簧片：鋼尺改裝后的鋼板；實驗采用的測量工具：DT9205N型號的萬能表；實驗采用的振動源：人工手動。

根據預測方案對實驗壓電振子產生的電壓進行了5次測量，實驗數據如表7所示。

表7 壓電振子測試電壓表

根據預測方案對實驗壓電振子產生的電流進行了5次測量，實驗數據如表8所示。

表8 壓電振子測試電流表

經過實驗實際測試得的總電流在60～70 uA之間,電壓在8～20 V之間，理論跟實際測試出現很大的誤差，所以預測方案不成立，需研究找出解決方法并對方案進行改進。

3.3 發現問題及分析原因

理想狀況下是可以達到理論預測值的，但是實驗是在非理想狀況下進行的，通過上面數據可知電流和電壓都比理論值小，電壓誤差不大，電流誤差很大，通過查找資料和對實驗器件和儀器的分析，預測出產生誤差的原因如下：

壓電陶瓷片的內阻很大而且阻值不一；壓電陶瓷片貼在彈簧振子的位置不一樣，形變程度不一樣，產生電流電壓的初相不一樣，導致部分電壓電流被抵消掉；導線和彈簧片存在電阻，形成壓降，電流也變小；電萬能表存在必然誤差和偶然誤差和表筆接觸不良；采用的人工手動作為振動源，存在很大的隨機性和不穩定性；彈簧片的硬度和厚度太大，產生的形變不大。

應對措施：采用導電性能更好的導線；不要直接利用彈簧片作為導電物質，因為采用的彈簧片電阻一般導線大，且不同材料的彈簧片電導率不同；在不損壞壓電陶瓷片的前提下，選取硬度和厚度比較小，寬度比較大的彈簧片，使壓電陶瓷片產生最大的形變，而且初相基本一致；采用頻率可調的穩定振源，將振源的頻率調到跟壓電振子固有頻率一致，使壓電振子達到共振，產生最大的電流和電壓，而且壓電振子可以提供穩定功率。

3.4 根據分析結論進行試驗證明

3.4.1 改變導線對比實驗

用作電線電纜的導電材料，通常有銅和鋁兩種。銅材的導電率高，50 ℃時的電阻系數，銅為0.020 6 Ω·mm2/m，鋁為0.035 Ω·mm2/m；載流量相同時，鋁線芯截面約為銅的1.5倍，采用銅線芯損耗比較低。由于導線的內阻很小，對壓電振子的影響很小，所以現在不做實際測試，而是選用銅導線。同時考慮到壓電陶瓷片跟焊錫的相容性很差，焊接時出現導線很難粘附于壓電陶瓷片表面，而且在強烈振動的環境下易脫落，焊點接觸不良，導致壓電振子內阻變大。本方案經過深入研究，決定采用導電膠帶作為導電材料，導電膠帶不但具有優良的導電性能而且粘附性極強，方便連接各壓電陶瓷片，選用雙面導電膠帶連接壓電陶瓷片的一極和彈簧片，單面導電膠帶連接壓電陶瓷片的另一極。

導電膠帶參數如下：

材質：銅(Cu) 99.98%；基材厚度：0.018～0.05 mm；膠粘厚度：0.035～0.04 mm；膠體成分：普通壓敏膠(不導電)和導電壓克力壓敏膠；剝離力：1.0～1.5 kg/25 mm(180°反向剝力力測試)；耐溫性-10～120 ℃；張力強度4.5～4.8 kg/mm；伸長率7%～10%MIN。

3.4.2 改變壓電陶瓷片對比實驗

任意選取10片壓電陶瓷片分別用萬能表測量阻值如表9所示。

表9 改變壓電陶瓷片測試阻值表

結論：壓電陶瓷片阻值很大，而且相對誤差不大，不是影響壓電振子輸出的主要因素。

3.4.3 改變壓電彈簧片的參數對比實驗

200 mm×50 mm×1.5 mm規格的Fe2O振動片的平均應變、高應變能面積比較大，可布置的壓電陶瓷數量多，壓電陶瓷從外界吸收的能量大，發出的電能最為理想，其最大位移、最大應力比較小，振動片的剛度和強度較好，振動空間較為理想，因此選擇200 mm×50 mm×1.5 mm規格的Fe2O振動片作為慣性振動式壓電發電裝置的振動片。這是相對于多片壓電陶瓷片組成的整個系統的理論分析，下面將對兩片串聯的壓電陶瓷片進行實驗實踐。

影響壓電振子輸出的因素主要有壓電彈簧片的長度、寬度、厚度、振動源的頻率，壓電彈簧片的長度、寬度、厚度，但是因為實驗現階段還沒定制專用的壓電陶瓷片，所以本實驗僅限于改變壓電彈簧片的參數和振動源的頻率，以后定制專用的壓電陶瓷片將會大大提高壓電發電裝置的發電功率。

3.4.3.1 壓電振子長度對電壓輸出特性的影響

壓電振子的寬度為20 mm，基板厚度為2 mm，壓電晶片厚度為0.2 mm。在其它性能參數不變的情況下，將壓電振子長度作為變量，分別取30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm，110 mm，120 mm，當在懸臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力時，得到實際測量值如表10所示。

表10 壓電振子長度對電壓輸出特性的影響測試電壓表

由表10可知，在外力激勵條件一致時，隨著壓電振子長度的增加壓電振子的輸出電壓增大。

3.4.3.2 壓電振子寬度對電壓輸出特性的影響

壓電振子基板的長度為60 mm，厚度為2 mm，壓電晶片厚度為0.2 mm。分別取寬度為10 mm，20 mm，30 mm, 40 mm，50 mm，當在懸臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力時，得到實際測量值如表11所示。

表11 壓電振子寬度對電壓輸出特性的影響測試電壓表

由此可以看出，在其它所有參數條件不變的情況下，輸出電壓隨壓電振子寬度的增加而減小。

3.4.3.3 振子厚度對電壓輸出特性的影響

壓電振子的長度為60 mm，寬度為20 mm，基板厚度分別取1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm，在其它性能參數不變的情況下，當在懸臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力時，得到實際測量值如表12所示。

表12 振子厚度對電壓輸出特性的影響測試電壓表

3.4.3.4 振動頻率對壓電振子產生電壓的影響

壓電振子與周圍設備共振時，振動最為劇烈，產生的電壓也最大。為了研究不同振動頻率對壓電振子產生電壓的影響，選取PZT-5換能陶瓷片，金屬片的尺寸為200 mm×50 mm×1.5 mm的壓電振子，并在壓電振子的自由端粘貼了尺寸為14 mm×5 mm×5 mm，質量為2.56g的質量塊。得到的實驗數據如表13所示。

表13 不同振動頻率壓電振子產生的電壓

繪制振動頻率對產生電壓的影響規律如表13所示。可以看出，隨著振動頻率的增大，壓電振子產生的電壓也逐漸增大，當振動頻率為38.1 Hz時壓電振子產生的電壓也達到了最大為8.3 V。此時壓電振子劇烈振動，當振動頻率繼續增大時，壓電振子振動反而減弱，電壓值也逐漸下降，當振動頻率大于60 Hz時，實驗臺振動非常劇烈，可見，壓電振子的固有頻率約為38.1 Hz。

日常生活環境中的振動源產生最大加速度時的主要頻率分布在500 Hz以內。汽車行駛中傳動機構及來自路面的振動頻率為400～2 000 Hz。微電子設備應用環境頻率有時高達上萬赫茲。通過對環境振動的測試結果分析可知，環境振動頻率分布廣泛，加速度強弱也有很大差別，采用環境振動驅動的壓電發電裝置應根據其應用環境進行合理的設計，讓輸出的能量保持最大，滿足用電設備的功耗要求。環境中的各種振動激振源情況如表14所示。

表14 環境振動激振源情況列表

由表14可知，小汽車發動機和卡車發動機的峰值加速度的頻率在37～40 Hz左右，而設計的壓電發電裝置的固定頻率為38.1 Hz，所以運用在小汽車和卡車上可以達到共振，讓輸出的能量達到最大。而且設計的壓電發電裝置里面具有可調金屬重物，可以根據運用的環境調節壓電發電裝置的固定頻率，使壓電發電裝置達到共振，可見設計的壓電發電裝置具有很強的移植能力和適應能力，能夠滿足大部分用電設備的需求。

3.5 裝置制作

3.5.1 電路部分制作

根據轉換和存儲整體電路圖焊接電路如圖16所示。

圖16 轉換和存儲整體電路實物圖

3.5.2 機械部分制作

利用軟件PROE繪畫裝置內部結構圖和裝置整體外觀圖如圖17、18所示。

圖17裝置內部結構圖 圖18裝置整體外觀圖

4 設計制作中關鍵技術問題

4.1 電路部分的關鍵技術問題

通過比較各種整流電路，選擇效率最高而且適合本裝置的整流電路，盡量減少在整流時損耗的能量，提高整個裝置的效率。

通過設計濾波穩壓儲能電路，選擇低功耗穩壓芯片，采用超級電容作為第一級存儲元件，鋰電池作為第二級存儲元件，盡量減少在穩壓儲能時損耗的能量，同時為鋰電池提供穩定的充電功率。

4.2 機械部分的關鍵技術問題

基于PROE建模，ANSYS分析，并采用控制變量法，研究了不同因素對振動片變形的影響程度，確定了振動片的最佳材料和最優尺寸。

根據仿真軟件分析出來的理論方向進行實驗實測，采用控制變量法，分別改變壓電彈簧片的長度、寬度、厚度、振動源的頻率，記錄不同參數下壓電振子輸出的電壓，找出最合適參數，使壓電振子輸出的功率最大。

通過比較不同的材料壓電陶瓷片，選擇PZT-5的壓電陶瓷，它具有高機電耦合系數、高壓電應變常數和高電阻率，各機電參數具有良好的時間穩定性和溫度穩定性，適合作為壓電振動微型發電機的換能元件材料。

為了方便實驗測試，本實驗暫時是采用一般的PZT-5換能陶瓷片，所以輸出的功率偏低，現已經聯系了青島國林壓電科技有限公司，該公司已經有生產壓電發電片，為了提高壓電發電片的功率和本裝置的需求，該公司已經在研制更合適的壓電發電片。

通過實驗，比較不同導電材料對本裝置的適用性，最終采用了導電膠帶，該膠帶具有優良的導電性能而且粘附性極強，克服了壓電陶瓷片跟金屬不相容性，使壓電振子在高強度的振動下，仍能牢固不會脫落。

5 創新特色

5.1 利用環境振動能量發電

環境振動是環境污染的一個方面，鐵路振動、公路振動、地鐵振動、工業振動均會對人們正常的生活和休息產生不利影響。過量振動會使人不舒適、疲勞，甚至會導致人體損傷。其次，振動會形成噪聲源，以噪聲形式影響或污染環境。通過利用本裝置，不但能夠利用環境的振動能量發電，有效地緩解能源危機，而且還能減小環境中的振動污染，從根源上解決噪聲的產生。

5.2 集成度高、能量密度高、環保節能

本裝置體積小、重量輕、結構簡單、安裝方便，集成度高，經不斷改進后，可以制成手機電池大小，可直接利用于各種移動電子設備。而且經改裝后的裝置能量密度高，像手機電池大小或者更小的裝置就足以為一般電子設備提供電源。同時本裝置不同于一般的化學電池，它采用的材料無輻射污染，無化學污染，對人體和環境無害，可以直接運用于生活中的電子設備中。如果對本裝置進行開發利用，可減少化學電池中有害物質的排放，做到節能減排。

5.3 壽命長、能量可靠、對環境適應性強

本裝置采用壓電陶瓷片作為發電元件，壓電彈簧片采用合理的參數，經理論預測，可運用十年左右。環境振動無處不在，無時不在，只有有振動能量的存在，本裝置就能穩定發電，存儲電能，所以能量可靠。至今，人們已經開發了太陽能電池、風能發電裝置、溫差發電裝置等電源，但環境依賴性強、在不滿足其環境要求下無法持續提供電能。而本裝置只要所處的環境有振動就能發電，對環境適應性強。

5.4 運用范圍廣、價格便宜、可產品化、易推廣，具有很大市場價值

本裝置經改裝后可廣泛運用于手機、mp3、數碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、商務通等電子產品，列車、汽車、野外等無線傳感器網絡系統中，如果批量生產，價格可以降低到一般電池的價位，針對不同的用電設備采用不同的穩壓芯片，既可以輸出不同電壓和功率，供應給不同的用電設備，所以很容易推廣，具有很大的市場價值。

5.5 主要技術指標

本裝置的最大轉換效率可以達到35%，是太陽能電池轉換效率的三倍；平均輸出功率達到最大值100 mW，一般手機的耗電功率為0.27 mW；將95%的電能有效地使用到用電設備上；平均使用壽命可以達到10年；未經改進前的體積是160 cm3，重量是100 g左右，改進后可以達到12 cm3，重量達到20 g左右。

6 預計應用前景

隨著能源危機的逼近，尋求其他新能源勢在必行，而利用環境中的振動能量發電具有相當可觀的發展前景。環境振動是環境污染的一個方面，鐵路振動、公路振動、地鐵振動、工業振動不但會造成能量的極大浪費而且會對人們的正常生活和休息產生不利的影響。而本裝置正是巧妙地利用環境中的振動能量發電，同時能夠減少振動污染，對人體和環境無害，無輻射污染和無化學污染，環保節能，可以廣泛運用于手機、mp3、數碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、商務通等電子產品，列車、汽車、野外等無線傳感器網絡系統中。本裝置經改進后體積小、重量輕、集成度高，可直接利用于各種移動電子設備。如果批量生產，價格可以降低到一般電池的價位， 針對不同的用電設備采用不同的穩壓芯片，既可以輸出不同電壓和功率，供應給不同的用電設備，所以很容易推廣，具有很大的市場價值。

7 產品推廣

本裝置經過精心挑選高輸出功率的壓電發電片，采用集成轉換電路，采用環保而且體積小儲能元件，就可以大大地減小本裝置的體積。它采用了凌力爾特公司設計制造的LTC3588-1壓電式能量收集芯片，該芯片集成了一個低損失全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉換器。還采用了青島國林壓電科技有限公司的高輸出功率的壓電發電片，如果再深入研究，可以把壓電發電片、轉換電路、儲能元件集成在一個芯片上，可以為大部分電子設備提供電源。所以本裝置不但有很好的研究前景，而且具有很大的市場價值。