压电发电技术发展及其在引信中的应用探索

2015-06-19陈永超高敏俞卫博

电源技术 2015年3期

关键词：振子换能器压电

陈永超，高敏，俞卫博

(军械工程学院，河北石家庄050003)

压电发电技术发展及其在引信中的应用探索

陈永超，高敏，俞卫博

(军械工程学院，河北石家庄050003)

压电发电技术已取得了一定的研究进展，在无线传感器网络、道路等方面展现出广阔的应用前景，但其在引信中的应用仍仅局限于引爆雷管。针对现代智能引信对弹载电源的需求，提出了压电发电技术应用于引信需要解决的几个问题，综述了压电发电技术的基本原理、发展现状及其在现代智能引信中的应用，认为利用压电发电技术为引信持续供电是可行的，且具有较好的应用前景。

压电发电；引信电源；引信

在引信中，压电发电技术已被用于引爆雷管[1]。但在现代智能引信中除引爆雷管外，引信的信息接收和处理、起爆控制和安全控制、发动机点火控制、弹道修正控制以及引爆或引燃战斗部装药等均需有电源为其供电，这就为压电发电技术在引信中的应用提供了更广阔的空间。为了使现代智能引信对供电装置的需求与压电发电技术相结合，本文对压电发电技术及其在引信中的应用进行探讨。

1 压电发电技术应用于现代智能引信需要解决的几个问题

随着新原理、新技术、新方法在以信息和控制为作用过程核心的智能弹药和新型引信中的广泛应用，引信供电装置除应满足可靠性、安全性、环境适应性、长储性、耐高过载和抗电磁干扰等传统技术要求外，还需具有快激活及全弹道供电等技术特点。因此，将压电发电技术应用于现代智能引信还需解决以下问题：

(1)引信压电电源应具备“三化”(通用化、标准化、系列化)、小型化和经济性等战术使用特征

装备的化学电池有多个系列多个型号，且每种型号有专门的装备应用背景，不能通用于其他装备，因此压电电源在发展之初就应将“三化”作为其发展目标之一，同时“三化”的实现有助于缩短装备型号研制的周期。引信的微小型化是现代引信发展的方向之一，而电源的大小直接影响着引信的微小型化，且电源的小型化可为智能弹药的设计提供更多的空间余量。引信电源的经济性如何则决定了战略动员中的快速性、资源筹措来源的广泛性。

(2)提高瞬态冲击下的非线性机械能量的收集效率

弹药发射时产生的冲击能量远远大于现代引信工作所需的微量电能，但若要利用压电材料将其直接转换为电能目前还无法实现，因此根据引信特殊工作环境为压电电源设计对应的机械能量收集与储存机构，将瞬态冲击机械能储存起来并转换为持续的能量形式(如振动能)，延长外部载荷随压电元件的作用时间，增加压电电源的电能输出，已成为压电发电技术应用于引信上的关键技术之一，所以高的能量收集效率才能保证压电发电技术应用于现代引信的可能性。

(3)提高压电换能器的机电转换效率

利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能是压电发电技术的核心。通过材料的优选可在一定程度上提高压电电源的发电性能，但仍不能满足现代引信对压电电源的需求。还需对压电换能器的结构进行改进，充分利用压电材料的各向压电模式，保证其工作频率与能量收集装置频率(如振动频率)相一致，以提高其机电转换效率。

(4)开发适用于引信的电能收集与管理电路

由压电换能器将机械能、动能等转换而获得的电能一般不能够直接满足引信电路的正常工作需求，在压电换能器和耗能电路之间需要加入电能收集与管理电路。作为电路元件，其功耗，耐过载性，与换能器、耗能电路之间的连接，以及工作时的可靠性、稳定性等都会对压电发电技术在引信中的应用产生较大的影响。

(5)保证全弹道供电

区别于传统弹药和引信，由高新技术催生的智能弹药、新型引信的最大特点在于充分利用目标信息、环境信息、平台信息和网络信息，通过控制电路和执行机构在全弹道上的不同阶段，完成安全控制、姿态检测与控制、目标探测与识别以及起爆策略控制。这要求引信压电电源系统能够在全弹道的不同阶段，为信息采集部件、信号处理电路、安全控制、发火控制电路以及动作执行机构供给工作电能。

2 压电发电技术的发展现状

2.1 压电振子发展现状

2.1.1 悬臂梁式压电振子

悬臂梁式压电振子以其谐振频率低、结构简单、易于实现等特点成为种类众多的压电换能器中发展最为成熟的一种。

哈尔滨工业大学的单小彪等[2]对金属基板材料、基板厚度与压电片厚度对压电梁发电能力的影响进行了数值模拟与有限元仿真分析，结果表明，当压电片与基板厚度比为0.5时，压电振子输出功率最大。

Liao[3]对一种压电单晶片和两种压电双晶片进行了研究。研究结果表明，当负载和激振力频率较低时，压电单晶片产生的能量较高；当负载阻抗和激振力频率居中时，并联压电双晶片输出的能量较高；当负载阻抗和激振力频率较高时，串联压电双晶片输出的能量较高。

Jordi等[4]通过对欧拉-伯努利悬臂梁偏微分方程和线性耦合压电方程的研究，建立了描述多层结构压电悬臂梁机电耦合行为的方程，实验表明，该模型与仿真结果基本一致，共振频率仅有不到4%的误差。

Mateu等[5]对矩形和三角形悬臂梁结构压电振子进行了对比研究，在悬臂梁固定端宽度和三角形悬臂梁厚度与矩形悬臂梁厚度相等的情况下，在受到相同的载荷作用时，三角形悬臂梁产生的应变更大，产生的电能更多。

2.1.2 圆形压电振子

Ericka等[6]对圆盘式压电振子发电性能进行了研究，结果表明，在谐振频率下，当压电振子受到加速度2 g的作用力，1 MΩ负载情况下，能产生24 V电压，在相同频率、加速度条件下，56 kΩ负载情况下最大输出能量达1.8 mW。

王宏祥等[7]设计了一种圆锥形夹心式压电换能器并进行了实验分析。研究结果表明，换能器的固有频率与长度近似反比关系，与直径成非线性关系，在一定范围内，前盖板圆锥角与固有频率近似正比关系。

向阳等[8]对圆环形压电陶瓷的径向厚度振动进行了分析，推导出压电陶瓷圆环的谐振和反谐振频率方程，采用图像法求解得到谐振频率，与实际测量结果的误差小于1%。

2.1.3 其它结构形式的压电振子

Xu[9]提出一种附加月芽型金属结构的换能器，首次给出了物理复合的研究成果。之后，美国宾夕法尼亚州立大学材料实验室的Newhamn等[10]对该结构进行了改进研究，提出钹式(Cymbal)压电振子，其基本结构形式如图1所示。国内学者也对该结构形式进行了一系列研究[11-12]。

图1 钹式压电振子

香港理工大学Wang等[13]研制出一种鼓形压电振子，结构如图2所示。在预紧力为0.15 N、周期作用力为0.7 N的条件下，鼓形压电振子在谐振频率590 Hz、负载18 kΩ上获得11 mW的功率。当预紧力变大时，谐振频率减小，俘能功率增加。

图2 鼓形压电振子

2.2 能量收集转换电路的发展现状

Kim等[14]用一组全桥整流器和电容组成标准能量存储电路对Cymbal换能器进行了实验研究。Han等研制了一个由整流器和DC-DC转换器组成的能量收集转换电路，理论分析和实验测试结果表明，该电路比标准能量储存电路的能量回收效率提高了400%。

经过一系列优化后相继产生了SECE接口电路、串联SSHI接口电路、并联SSHI接口电路。Lefeuvre和Guyomar等对以上三种电路及标准电路进行了比较，研究结果表明，当激振力大小不变时，这四种电路的最大输出功率相等；当激励振幅不变时，标准电路输出功率最低，且与后续电路等效负载有关。而SECE电路回收功率不受负载阻抗的影响，且比标准电路最大回收功率提高了400%。在最优负载条件下，两种SSHI电路回收功率比标准电路提高了1 500%[15]。

南京航空航天大学的沈辉[16]提出了一种增强型同步开关回收电路(ESSH技术电路)。这种电路不仅比标准电路的回收功率提高了300%(提高倍数随着应用更低耗的电感而提高)，同时克服了原有串联同步开关电感方法回收功率随负载变化而变化的缺点。

3 压电发电技术在现代智能引信中的应用探索

虽然压电发电技术在破甲弹等引信中已有应用，但其仅起引爆雷管的作用。如何提高引信中压电电源的发电量，使其在引信中发挥更大的作用，引起了国内外学者的广泛关注。

西安机电信息研究所[17]对引信用气流谐振发电机压电振子的频率进行了分析，对气流谐振发电机进行了实验室模拟吹风实验，得出发电机的输出与风速成正比的结论。南京理工大学的温都苏[18]对引信振动式压电发电机进行了研究，提出了利用功率因数校正电路使发电机输出连续电流从而增加发电机能量利用率的方法。南京理工大学的徐伟[19]结合引信对电源的技术要求、MEMS工艺技术和压电材料的发电特性等设计了一种小型的气流激励发电装置，如图3所示。

图3 引信MEMS压电膜片式气流激励电源结构

南京理工大学的李映平[20]针对现代引信对电源的快激活特性要求，对多层压电电源进行了研究。多层压电电源主要由多层压电堆叠、充电电路和DC/DC变换器组成。通过研究建立其数学模型，并进行了仿真，计算时采用了某37高炮的发射数据，当储能电容为30μF时，储能电容的电压在弹丸出炮口时达到18 V，储存的能量为4.86 mJ，从弹丸发射到储能电容电压充电达到5 V的时间为250μs左右，其快速充电特性能够满足弹丸出炮口前供电的要求。

军械工程学院的黎辉[21]设计并制作了一种引信自维持压电电源，如图4所示。该电源能够将外部冲击载荷转换为自维持激励源，延长作用于压电换能器上载荷的持续时间，并结合所设计的电能收集管理电路，将产生的交流电转换为适合引信的直流电，从而实现了压电电源的持续供电。利用所搭建的实验测试系统进行了模拟实验，结果表明，该电源激活时间＜3 ms，输出电压(5±0.1)V，输出电流臆50 mA，持续供电时间＞3 s。

图4 引信自维持压电电源

国外研究方面，1999年Oberlin[22]取得发明专利，提出了利用弹丸发射时产生的后坐力作用在多层压电叠堆上来发电的压电式电源，可用于给引信低功耗处理电路和起爆电路供电。2002年C.Keawboonchua[23]对这种多层压电电源进行了计算机仿真研究和重物跌落实验、弹丸发射冲击实验，在弹丸发射冲击实验中得到了58.2 A的峰值电流、28.4 W的峰值功率和517 kW/cm3的峰值比功率。在2007～2009年的美国引信年会上，纽约州立大学石溪分校相继提出了几种新型引信压电发电装置，并申请了专利，如图5所示，当弹簧弹性系数=5伊105N/m，等效质量=4 g时，可使弹簧在受到13 000 g加速度过载时完全收缩，弹簧总变形量为1 mm，此时电源能够收集约500 mJ的能量。2010年，Jahangir Rastegar提出了改进措施以提高这种电源装置的抗高过载能力，改进后的结构如图6所示，它由弹簧-质量块单元和成套的预载压电发电单元两个模块构成。当电源承受过高载荷时，弹簧-质量块单元将接触压电发电模块的外壳顶部，阻止弹簧进一步前进，从而防止压电元件因承受过高载荷而损坏。

图5 冲击式压电发电装置

图6 模块化抗高过载压电发电装置

4 结论

本文根据现代智能引信对电源的需求，提出了压电发电技术应用于现代智能引信需要解决的问题，并对压电发电技术的研究现状及其在引信中的应用进行了介绍。本文认为利用压电发电技术将弹药发射时的冲击能及弹药飞行过程中的振动能转换为电能为引信供电是可行的，但还需解决耐高过载、持续供电、微小型化等实际应用问题。

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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

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