气流谐振压电发电机用焊接环形压电振子

林瑞娥，彭小丽，朱雅鹏，雷军命

（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

气流谐振发电机是针对弹丸的工作环境而专门为引信设计的一种新式的物理电源。该发电机的气流谐振腔位于引信头部，气流谐振带动腔底的气压膜片振动，通过连杆将振动传递到C 形磁铁间隙中的铁质簧片，簧片振动时永磁体上的线圈输出电流，具有结构简单、成本低，以高速气流为能源的安全性等技术特性和优势。在谐振点时工作振动频率不再随速度增加而增加，振动发热量也不再增加，这一点显著优于旋转摩擦发热量随弹速增加的涡轮发电机，使之能在长时间高速飞行环境下正常工作，非常适合用于远射程弹药。美国早在20世纪70年代就对气流谐振发电机进行了系统研究，至今仍然用于所有远程火箭炮引信。我国上世纪90年代也做出了气流谐振发电机，并且在高速飞行时输出功率达到6 W 以上。但是该发电机尺寸较大，占去引信大约一半的体积，并且工作时会产生交变磁场，可能干扰电路的工作。

近几年国内一些高校和科研院所对气流谐振压电发电机进行了探索性研究，并取得一定的进展［1-4］。气流谐振压电发电机以压电膜片取代了膜片、传动机构、簧片、永磁体和线圈，体积、重量大幅下降，并且工作时不会产生交变磁场。但是，在高风速下长时间工作中容易出现压电陶瓷破裂、脱落等现象。为此，本文提出焊接环形压电振子。

1 气流谐振压电发电机原理

如图1所示，气流谐振压电发电机有环音振荡器和压电振子组成，环音振荡器有环形喷咀和谐振腔组成，谐振腔的头部有尖劈，压电振子固定在谐振腔的底部，采用的是周边固定支撑方式。

图1 气流谐振压电发电机结构图Fig.1 Configuration of air resonance piezelectric generator

弹在空中飞行时，气流通过环形喷嘴（进气道），形成环形气流冲击谐振腔头部的环形尖劈边缘，在管口处像哨子一样发声，形成声波振动。当声波频率与谐振腔频率相近时，空气介质在谐振腔中形成共振。设计压电振子的谐振点与谐振腔相近，于是谐振腔底部的压电振子也按谐振频率振动，由于正压电效应，引线两端就会输出交变电流，整流稳压后给引信电路提供电能。

为了提高压电陶瓷片的变形量和降低压电陶瓷片的谐振频率，需将压电陶瓷片与金属基片粘结在一起构成压电振子。气流谐振压电发电机是利用压电振子作为换能器将机械能转换为电能，输出功率由压电振子的振幅和压电材料决定，而振幅与环境风速成正比关系。在高风速下压电振子形变量比较大，因此对压电振子的强度要求较高。

前期气流谐振压电发电机的压电振子所用压电陶瓷片均为圆形，如图2所示，其中陶瓷片为锆钛酸铅，金属基片为两面镀锡的黄铜片，中间为粘结层，用环氧胶或导电胶将压电陶瓷薄片与黄铜片粘结在一起。测试结果表明：采用这种胶粘结制得的压电振子强度和电压输出均不理想，压电陶瓷片出现破裂、脱落，造成这种现象的原因有多种：一是胶的粘结强度不够；二是胶层的泊松比与压电陶瓷、黄铜不接近，因此在振动拉伸过程中，三者运动不一致。另外，由于胶中的导电材料颗粒较大，分布不均匀，导电性能较差，电极电阻较大，电极电阻引起的电极损耗降低了压电振子的机电耦合性。

图2 压电振子结构示意图Fig.2 The structure map ofPiezoelectric Vibrator

2 焊接环形压电振子

2.1 压电振子结构

针对粘接圆形压电振子的不足，将粘接改为焊接。现采用合金焊锡将压电陶瓷薄片和黄铜基片焊接在一起。合金焊锡具有一系列优点：首先，合金焊锡是金属材料，导电性能非常好，能有效提高复合压电振子的机电耦合系数；其次，只要合金焊锡的熔点低于压电陶瓷的居里温度值，就不会损伤压电陶瓷片，并且焊接过程中对其压电系数d33影响较小。

采用圆形压电陶瓷片的压电振子在高风速下长时间工作时，压电陶瓷片仍然存在破裂和脱落现象，解剖后发现焊料分布不均匀，接触不充分，结合强度不够。针对这种现象，将压电陶瓷片改为中间加孔的环形的压电陶瓷片，如图3所示。

图3 改进后压电振子结构示意图Fig.3 The structure map of improved piezoelectric vibrator

2.2 压电振子检测

准备两种样品分别采用圆形和环形压电陶瓷片，厚度均为0.3mm，下面是采用两种结构压电陶瓷通过焊接制得的压电振子粘结效果对比环。

采用激光超声无损探伤检测方法，激光可以实现非接触式的高灵敏度测量，但不能通过非透明材料的内部，而超声波的检测方法可以实现内部质量的检测，因此，用激光激发超声波使之通过被检测试件的内部，再用激光技术来接收这种超声波的信号，把两者结合起来，该检测方法是用激光激励出声波，它是基于多普勒效应的原理用光学方法接收产生的超声波的一种新型的无损检测方法。图4为激光超声无损探伤检测结果，由检测结果中的最大振幅图可看出，图4（a）采用圆形压电陶瓷片的压电振子整个粘结层接触不均匀，图4（b）采用环形陶瓷片的压电振子焊接情况较好，未发现气泡，局部有焊料不均匀点。分析原因是环形压电陶瓷片中间的孔使得压电振子在焊接过程中使得接触面之间的空气有利于排出，从而焊料与两个面接触比较好，图5（b）结果也验证了这一点。

图4 两种结构压电振子激光超声检测图Fig.4 Two kinds of structure of piezoelectric oscillator laser ultrasonic testing

图5 两种结构压电振子截面SEM 扫描图Fig.5 Cross section SEM scans of two kinds of piezoelectric vibrator

图5是两种压电振子截面扫面电镜扫描结果，图5（a）中明显看出粘接层时有时无，接触不充分，焊接层厚度在90μm 左右。图5（b）中显示焊料在整个截面厚度均匀，接触良好，焊接层厚度在10μm左右。从理论上讲，希望粘接层厚度越小越好，但是，粘接层太薄，则电极电阻增大，由此引起的电极电阻损耗同样会影响压电振子频率特性和发电能力，综合粘接层所引起的声能损耗、粘接层电极电阻引起的电能损耗以及实际操作等因素，粘接层厚度控制在压电陶瓷片厚度的2%～5%比较合适。

3 试验验证

为了验证采用新设计压电振子气流谐振压电发电机在高风速下的工作性能，压电振子的陶瓷片分别选用了圆形和环形两种结构，利用焊接的方式将陶瓷片与双面镀锡的黄铜基片粘结在一起。

试验装置如图6所示，由射流管道吹风装置、示波器、8855数据采集仪、负载等组成。管道出气口风速大小与气压是一一对应的，利用流体仿真计算软件仿真出800m／s风速时压力分布云图结果可以得到弹丸以800m／s弹速飞行时，引信进气口压力为0.6 Mpa。试验中通过调整管道中阀门调节气压表的压力，在出气口气流风速达到800m／s时，用数据采集系统测试发电机在800m／s风速下的输出波形和持续工作时间，试验中负载为1 000Ω 电阻。

图6 气流谐振压电发电机试验框图和现场图Fig.6 The diagram and the scene graph of air driven fluidic resonance piezelectric generator test

图7为示波器采集的发电机的电性能输出，电压有效值对比显示，结果显示采用环形的压电陶瓷片比圆形陶瓷片的发电机的输出电压稍高，图8为8855数据采集仪采集到的试验过程发电机放电曲线，结果显示在800m／s风速下发电机可以持续工作时间为230s且电压输出稳定，可以满足远程火箭弹时间引信的需求。由于实验室条件限制，对发电机工作时间的极限值及风速最大值尚未考核。

图7 气流谐振压电发电机电压输出Fig.7 The output ofair driven fluidic resonance piezelectric generator

图8 气流谐振压电发电机放电曲线Fig.8 The discharge curve of air driven fluidic resonance piezelectric generator

试验结果表明：采用环形压电陶瓷片一方面提高了压电振子的粘结强度，延长了发电机的工作时工发电机的持续作时间从原来的几十秒提高到了200s以上，另一方面气流谐振压电发电机输出功率也能满足电子时间引信的应用要求。

4 结论

本文提出气流谐振压电发电机用焊接环形压电振子。该压电振子用陶瓷片为圆环形，焊接在金属基片上。实验室吹风试验表明，解决了陶瓷片破碎与脱落问题。在模拟800m／s的风速下可以持续工作200s以上。受实验室条件限制，未能进行更高速度、更长时间的试验，希望有机会作搭载飞行试验。与气流谐振磁电发电机比，该发电机体积和质量都显著减小，虽然输出功率仅大于0.1 W，但已能满足火箭弹时间引信的应用需求。

［1］雷军命.引信气流谐振压电发电机［J］.探测与控制学报，2009，31（1）：23-26.

［2］黎晖，高敏，王广龙.引信用压电式射流发电机的原理与研究［J］.弹箭与制导学报，2010，30（1）：112-114.

［3］徐伟，王炅，路静，等.引信用MEMS气流谐振压电发电机［J］.探测与控制学报，2011，33（1）：9-13.

［4］齐洪东，杨涛，岳高铭，等.微型压电陶瓷振动发电技术研究综述［J］.传感器与微系统，2007，26（5）：1-4.