基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望

基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望

杨拥民 张玉光 陈仲生 陶利民 邓冠前

国防科学技术大学,长沙,410073

摘要:分析了压电式振动能量捕获原理;针对提高振动能量捕获量和捕获效率这两个目标,对当前国内外在新型压电材料、压电振子性能研究与结构配置及高效电路等方面所作的研究进行了详细论述;指出向微能源器件、集成自供电系统发展和从旋转机械中捕获能量是压电陶瓷振动能量捕获技术的研究前景。

关键词:无线传感器;自供电;振动能量捕获;压电陶瓷

中图分类号:TP212;TM282 文章编号:1004)132X(2009)01)0113)05

S urvey on Vibration Energy Harvesting Based on Piezoelectric C eramic

Yang Yongmin Zhang Yuguang Chen Zhongsheng Tao Limin Deng Guanqian

National University of Defense Technology ,Changsha,410073

A bstract :The theory of vibration energy harvesting based on piezoelectric ceramic were analyzed,and for improving amount of electrical energy and efficiency,the key technologies on piezoelectric materials,perform -ance and configurations of piezoelectric patches and circuitry were introduced and the research work w as sum -marized at home and abroad,finally,the study directions in the future w ere pointed out.

Key w ords :w ireless sensor;self-pow ering;vibration energy harvesting;piezoelectric ceramic

收稿日期:2008)03)31

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50805142);武器装备预研基金资助项目

0 引言

近年来,无线传感器已经广泛应用于工业领域,而供电是制约其应用的瓶颈问题之一。目前,无线传感器的电源主要采用电池。由于电池的寿命有限,需要定期大数量地更换才能保证无线传感器正常工作,这不仅工作量大,成本也很高;另外在很多应用场合,无线传感器的节点常被安装在有毒、辐射等恶劣环境中,更换电池极不方便,甚至不可能[1]。由于这些限制,研究人员正在寻找一种可供选择的长寿命的电源供给方法应用到无线传感器中去,其中一种很受关注的方法就是从周围环境中的持续振动里获取电能,即振动能量捕获技术。潜在的应用领域包括设备状态监测、高压交流电监控、车辆轮胎的压力和温度监测以及飞机和轮船在出航前的潜在问题探测等。

1996年,荷兰的Thad Starner 等利用压电陶瓷收集/开、合0笔记本电脑的运动能量,用以驱动笔记本电脑,开创了压电发电及其能量存储技术的研究领域[2]。压电发电技术由于具有结构简单、不发热、无电磁干扰、寿命几乎无限等优点,已经成为国内外研究的热点。本文结合近年来国内外的主要研究成果,对基于压电材料的振动能量捕获关键技术及其研究进展进行综述。

1 基本原理及关键技术分析

压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应[3]。

某些电介质晶体在外力作用下发生形变,会引起其内部正负电荷中心发生相对位移,从而导致它的表面上出现异号极化电荷。这种没有电场作用,只是由于应变或应力,在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。应力在一定范围内时,由压电效应产生的极化强度与应力成线性关系:

P =dX

式中,X 为应力;d 为压电应变常数;P 为极化强度。

由于压电陶瓷硬而脆,人们通常将其粘结在金属上一起构成压电振子。实际应用中,压电振子存在很多种支撑方式,其中悬臂梁支撑方式具有共振频率较低和柔顺系数较大的特点,比较适合于压电发电领域,如图1

所示。

图1 三层悬臂梁压电振子结构示意图

在图1中,压电振子沿厚度方向z 轴极化,取长度方向为x 轴,宽度方向为y 轴。当设备振动时,压电振子在y oz 平面里弯曲变形,压电陶瓷一侧伸长,另一侧缩短,即其振动模式为垂直于电轴方向的长度伸缩模式,简称为LE 。此时,压电陶瓷表面将出现束缚电荷。基于压电陶瓷的发电原理就是利用压电材料的正压电效应将机械振动转化为电能的。

基于压电陶瓷的振动能量捕获技术涉及材料、工艺、力学、电学等领域,目前,还有许多关键技术尚未解决。压电陶瓷产生的电量小,且为交流电,

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113#基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望)))杨拥民 张玉光 陈仲生等

一次振动产生的电能往往难以满足无线传感器的功耗需求。为了提高压电陶瓷的发电量,需要对压电振子进行优化设计,并通过试验方法对压电振子的发电性能进行测试,同时设计高效的转换与储存电路。概括起来,基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术主要包括压电材料制备、高效机电耦合模态研究、压电振子优化设计、振动支撑结构设计、系统共振频率调整方法研究以及高效的电荷提取电路设计等方面。

1.1新型压电材料的研究与应用

压电材料对振动能量捕获能力起着至关重要的作用。当前,压电材料分为以下几类:非铁电性压电晶体、铁电性压电晶体、压电陶瓷、无机压电铁电薄膜、压电聚合物、压电复合材料。实际中应用最广泛的压电材料是压电陶瓷锆钛酸铅,简写为PZT,由于PZT变形小且容易破裂,在高频周期振动下容易产生疲劳破裂[4],其应用受到一定限制。为了消除压电陶瓷的弱点,提高效率,研究人员开发了柔性更大的压电材料:聚偏氟乙烯压电薄膜,简写为PVDF。Lee等[5]通过实验验证,发现通过采用耐用的基体材料,压电振子可以在更高频率的环境下运行。压电陶瓷光纤作为一种高科技的合成物,可以提供越来越大的能量。Churchill等 …… 此处隐藏：11309字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……