智能井蓋的鈸式壓電發電裝置研究

趙興強，戴志新，張祖偉，丁 宇，羅 勇，徐飛宇(1．南京信息工程大學 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，江蘇 南京 210044; 2. 南京信息工程大學 自動化學院，江蘇省氣象能源利用與控制工程技術研究中心，江蘇 南京 210044;. 中電科技集團 重慶聲光電有限公司，重慶 400060))

0 引言

隨著城市的快速發展，城市基礎設施不斷完善，井蓋作為城市基礎設施中的重要部分，井蓋的爆炸、丟失及傾斜等存在安全隱患問題。然而傳統的人工巡查難度大，效率低，隨著無線通信和物聯網技術在智能井蓋監測中的廣泛應用，井蓋的巡查發生變化，降低了市政井蓋維護人員的工作難度，保障了人們的生命財產安全[1]。

目前采用智能監測的井蓋基本上是電池供電，在頻繁的信息采集和上報數據后電池電量很快耗盡，需定期更換電池[2]。但城市中井蓋數量多，分布散亂，且井蓋工作環境復雜，更換電池難度大，效率低。近年來能量收集技術開始在無線傳感節點上應用，其可采集環境中的光能、動能和內能等并轉化為電能[3]。井蓋大多安裝在馬路上，車輛較多，可采集到車輛的動能，光伏能量采集裝置不適合安裝在路面上，內能受路面溫度影響較大，動能是井蓋上最能輕易獲得的能量。路面車輛壓過井蓋時，井蓋受到沖擊壓力，井蓋振動具有低頻、大荷載及微位移的特點[4]，與路面振動類似。井蓋受到沖擊荷載的時間一般為50 ms～1 s，井蓋受到的荷載為0.5 MPa左右[5-6]，實驗控制載荷為0.3～0.7 MPa。近年來能量收集技術在路面發電方面取得了很多進展。2008 年，以色列的一家公司研制出基于壓電換能器的路面能量收集系統，當單車道的貨車交通量超過500 輛/h時，每車道最多可收集250 kW/km電能[7]。2003年,日本音力發電公司開發出振動力發電系統，可將行人步行時產生的振動能轉換成電能，質量約60 kg的人踩踏后可產生電量為0.1～0.3 W[8]。朱子豪[9]設計出一種采集路面減速帶能量的壓電發電裝置，質量約2 t的車輛以2 m/s速度壓過減速帶時，換能器的輸出能量可達0.7 mW。史彬鋒等[10]提出一種路面液壓發電裝置，當車輛壓過換能器時，液壓換能器內的油液被壓出，并流入蓄能器中儲存，最終經蓄能器釋放油液驅動馬達轉動產生電能，該液壓裝置在路面收集沖擊性能極佳。路面情況復雜，路面能量的采集與應用各不同，目前壓電發電在路面井蓋的應用發展緩慢，在能量輸出和結構優化方面都有研究的空間。

壓電發電適用于路面發電[11]，本文作者提出一種鈸式換能器的智能井蓋監測系統，根據路面發電和承載的特點設計出鈸式壓電結構，其具有體積小，質量小，大承載及靈敏度高等優點[12]，對鈸式換能器結構進行仿真分析，并結合實驗研究分析了鈸式換能器的性能。根據壓電發電的特點設計出壓電整流降壓電源管理電路，結合自供電技術與低功耗技術設計出低功耗的智能井蓋監測裝置，實現了智能井蓋無線傳感節點的監測與自供能應用。

1 工作原理

壓電發電結構包括懸臂梁式、橋式和鈸式等結構[13]。懸臂梁式結構為共振模式振動，振動頻率要求高，不適合路面井蓋沖擊的收集[14]。橋式結構承載力小。鈸式結構具備高剛度，可承載大應力，可靠性高。

鈸式換能器由鈸式蓋帽和一個壓電陶瓷(PZT)組成，圖1為壓電陶瓷受力分析。當鈸式蓋帽頂端受到壓力荷載F時，鈸式換能器可將作用在換能器頂端的軸向力F轉換為作用在壓電陶瓷上徑向(沿壓電陶瓷半徑方向)和軸向(沿壓電陶瓷厚度方向)的力f[15]。由于鈸式蓋帽頂端直徑Φ和空腔高度遠小于壓電陶瓷直徑Φc，鈸式蓋帽水平方向上的分力遠大于軸向的分力。

圖1 壓電陶瓷受力分析

在鈸式換能器頂部放置一個圓形頂板，用于放大施加到換能器上的荷載。當在圓形頂板上施加壓力F時，圓形頂板可將對銅帽頂端的荷載放大到F(Φ/Φc)2。本文設計Φc=40 mm，Φ=5 mm，理論上可將來自頂端平板的壓力荷載放大64倍[16]。由于鈸式結構與圓形頂板的材質不同，且鈸式結構會放大其頂端受力，實際上鈸式結構頂端受力遠大于理論推算的64倍。

表1 壓電材料參數

2 仿真設計

2.1 仿真模型

采用ANSYS Workbench軟件對鈸式壓電結構進行性能分析與結構優化，建立模型如圖2所示。

圖2 鈸式換能器有限元分析模型

將下銅帽底端固定，上銅帽頂端放置直徑與壓電陶瓷相同的圓形頂板，在頂板上端施加均勻荷載，壓電片下底面電壓面設置為0。主要分析在結構強度許用范圍內，銅帽頂端面積、厚度、高度、壓電層厚及輸入壓力對結構應力和輸出電壓的影響[18]。

通常路面載荷約為0.5 MPa，實驗中以0.5 MPa壓強作為典型值，測量0.3～1 MPa內鈸式結構的受力與輸出情況。黃銅H62和PZT陶瓷的強度分別為400 MPa和220 MPa[19]。不考慮粘接層強度問題，設置安全系數為1.25，銅帽和PZT允許的最大應力分別為320 MPa和176 MPa。

在頂板上端施加荷載，鈸式換能器的應力及形變如圖3所示。應力由銅帽頂端向底端逐漸減小，形變主要發生在銅帽頂端，壓電陶瓷受力均勻。

圖3 鈸式換能器應力及形變圖

2.2 鈸式換能器結構優化仿真

本文設計換能器初始結構參數：荷載為0.5 MPa，銅帽頂端半徑為2.5 mm，銅帽內腔高度為3 mm，銅帽厚度為0.5 mm，壓電陶瓷厚度為1 mm。調節參數的變化分析對銅帽及壓電陶瓷應力和輸出電壓的影響。

圖4 為銅帽頂端半徑對輸出性能的影響。銅帽最大應力和開路電壓隨著頂端半徑增加而減小。

圖4 銅帽頂端半徑對輸出性能的影響

由圖4可見，在銅帽頂端半徑為3 mm時，銅帽和PZT的最大應力分別為310 MPa和19 MPa，滿足許用應力要求，此時輸出電壓為475 V。銅帽頂端半徑增加，銅帽頂端半徑與頂板半徑的比值增大，銅帽頂端受到的放大荷載減小。

圖5為銅帽厚度對輸出性能的影響。銅帽最大應力和開路電壓隨著銅帽厚度增加而減小，并趨于平緩。由圖可見，銅帽厚度為0.5 mm時，銅帽和PZT的最大應力分別為290 MPa和80 MPa，滿足許用應力要求，此時輸出電壓為383 V。隨著銅帽厚度增加，剛度增大，形變減小，傳遞到壓電陶瓷水平方向的應力減小[20]。

圖6為空腔高度對輸出性能的影響。由圖可知，隨著空腔高度增加，銅帽最大應力和開路電壓減小。由圖還可見，空腔高度為2.5mm時，銅帽和PZT的最大應力分別為305 MPa和80 MPa，滿足許用應力要求，此時輸出電壓為554 V。空腔高度增加，銅帽底端受力在水平方向的分力變小，壓電陶瓷應力減小。

圖6 空腔高度對輸出性能的影響

圖7為壓電陶瓷厚度對輸出性能的影響。隨著壓電陶瓷厚度增加，銅帽最大應力和壓電陶瓷平均應力保持不變，壓電陶瓷輸出開路電壓增加并趨于平緩。銅帽最大應力為295 MPa,滿足設計需求，壓電陶瓷平均應力均小于176 MPa。壓電陶瓷厚度增加，壓電發電常數減小，壓電片發電性能減小。

圖7 PZT厚度對輸出性能的影響

圖8為荷載對輸出性能的影響。銅帽最大應力和壓電陶瓷開路電壓均以正比例關系增長。由圖可見，荷載為0.5 MPa時，銅帽和PZT的最大應力分別為295 MPa和23 MPa，滿足許用應力要求，此時輸出電壓為379 V。

圖8 荷載對輸出性能的影響

對鈸式換能器的結構參數進行優化分析，可得制作樣機的換能器結構參數為銅帽頂端半徑3 mm，銅帽厚0.5 mm，空腔高3 mm，壓電陶瓷厚2 mm。在0.5 MPa壓力情況下，樣機輸出電壓為399 V。

3 實驗分析

3.1 樣機加工

對加工鈸式換能器(見圖9)進行實驗分析，銅帽與壓電片間采用環氧樹脂膠粘接，銅箔貼在壓電片上下表面，并從壓電片上下表面引出，銅箔加載于壓電片與鈸式換能器之間，銅箔自身厚度很小，對壓電片的影響可忽略。

3.2 實驗平臺

圖10為鈸式換能器結構及組裝圖，主要由施壓沖擊裝置和壓力傳感器組成。鈸式換能器疊在壓力傳感器上端，上端與壓力機的沖壓頭豎直對準靠近。通過手動按壓壓力機，驅動鈸式換能器產生電壓，通過示波器觀察電壓波形。其中壓力傳感器(HZC-T)量程為0～2 000 N。

圖10 換能器結構及組裝圖

3.3 測試

沖擊時間寬度和荷載對鈸式換能器的開路輸出電壓影響較大，楊海露等[6]通過理論推導得出，沖擊時間越短，外部載荷越大，產生的開路電壓越大。壓電結構是電容性元件，可等效為電容和電阻并聯的電路，電阻是漏電電阻，部分電荷經過電阻耗散，沖擊時間越長，漏掉的電荷越多，電容上的電壓越小，即開路電壓越小。車速為60 km/h的汽車壓過井蓋的脈沖時間約為100 ms，手動按壓壓力機的脈沖時間為150～450 ms。本文模擬汽車壓過井蓋時鈸式換能器開路輸出電壓與沖擊脈沖寬度、大小的關系。

圖11為脈沖時間(250±12) ms內壓電陶瓷開路電壓與荷載的關系。由圖可見，開路電壓隨著荷載的增加而增加。由于手動施加脈沖無法精確控制壓力機的荷載大小與脈沖寬度，通過大量實驗測得數據點，因此測量數據點較分散。由于鈸式換能器低頻下的阻抗很大，示波器測量探頭的阻抗與鈸式換能器的阻抗相差較大，且PZT的發電性能與理論值存在偏差，導致輸出電壓值比理論電壓值小。

圖11 壓電陶瓷開路電壓與荷載的關系圖

控制荷載恒定(約0.7 MPa)，測得鈸式換能器輸出開路電壓與脈沖寬度的關系，如圖12所示。由圖可見，脈沖越寬，其輸出電壓越低。

圖12 壓電陶瓷開路電壓與脈沖寬度的關系

接入不同負載,鈸式換能器輸出功率不同。在外部電阻為1 MΩ時,鈸式換能器輸出功率最高。在0.5 MPa、250 ms的沖擊脈沖下，鈸式換能器輸出功率為4.11 mW。

4 換能器在智能井蓋終端節點的應用

井蓋終端節點包括控制器、傳感器、無線通訊模塊和電源管理電路[21]，鈸式換能器可以將采集到的能量傳送給傳感節點為其供電，終端節點負責采集井蓋節點的信息并上報。本文設計的綜合電源管理電路(見圖13)由LTC3588芯片及外圍電路組成，LTC3588芯片可輸入大于20 V的交流電，調節可輸出1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V的電壓。

圖13 硬件集成開發板

控制模塊工作模式的切換可降低模塊功耗，本文設計采用的無線通訊模塊NB-IOT工作狀態不同時，其功耗也不同，如圖14所示。NB-IOT發射信號時，其電流為55 mA，工作模式下電流為27.4 mA，休眠模式下電流為10 mA。當NB-IOT進入待機深休眠模式后電流僅17 μA。程序設計超級電容電量小于70%時，系統進入待機模式，待機模式下，系統的功耗僅0.2 mW，每天只采集、上發1～2次信息。

圖14 NB-IOT功耗分析圖

井蓋壓電能量收集裝置輸出功率在毫瓦級，并不足以支撐無線傳感節點的持續運行，將壓電能量收集技術與低功耗技術結合可有效地提高智能井蓋節點的續航能力。實驗測得在井蓋受到160次、荷載0.5 MPa的按壓后，可完成1次信息采集與上報。

5 結束語

本文系統地研究了鈸式壓電換能器的設計過程，分析了其工作原理。采用ANSYS Workbench軟件對鈸式壓電換能器進行電壓輸出仿真分析，測試不同參數對輸出電壓的影響，最終得到優化的換能器尺寸。加工組裝了鈸式換能器，并完成了測試。結果顯示，在壓力0.5 MPa下，開路電壓能達到102 V，滿足給智能井蓋節點充電的需求。本文設計了鈸式換能器的電源管理電路，可將高電壓的交流電降壓整流后給電池充電同時設計了低功耗的無線傳感節點。從能量采集、硬件和軟件低功耗的設計等方面提高了節點的續航能力。