基于压电陶瓷的环境振动驱动微型压电发电装置设计

豆高雅

(榆林市瀚霆化工技术开发有限公司 陕西 榆林 718100)

随着微电子技术、无线电技术的飞速发展，手机、mp3、数码相机、笔记本电脑、掌上电脑、商务通等电子产品极大的丰富和方便了人们的生活和工作，大量的无线电传感器也开始大量应用到生产生活当中[1]。但在能量供给领域，依然采取着传统的供能方式，即利用化学能电池作为主要的能量供应装置[2]。虽然化学能电池以方便的特点被广泛使用，但是其需要经常更换电池或充电、材料浪费、污染环境、回收困难等问题也日益突出[3]。当今，没有更好的替代产品来代替化学能电池，因此仍然大量地生产和使用，电池市场上化学能电池几乎占据所有份额[4]。

至今，人们已经开发了太阳能电池、风能发电装置、温差发电装置等电源，但由于它们体积大、环境依赖性强、在不满足其环境要求下就无法持续提供电能。最近，无线传感器网络技术得到了巨大的发展，无线传感器网络技术广泛运用于农田野外检测和铁路货车的运行状态参数检测和安全监测，随着无线网络节点数量的增加，利用电缆提供电能成为难题[5]；利用一般的化学电池，则需要经常更换或充电，花费大量人力而且污染环境。

近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到关注，其节能环保的特性也备受青睐。利用压电材料制作的压电发电装置具有环保、结构简单等优点[6]。而笔者发明的环境振动驱动微型压电发电装置结构简单、体积小、重量轻、能量密度高、寿命长、能量可靠、对环境适应性强，对人体和环境无害、环保节能，没有电磁干扰、能同微加工工艺兼容和与微机电系统(MEMS)集成，经不断改进后可制成手机电池大小甚至更小，价格便宜，可产品化，易推广，具有很大市场价值。

1 设计方案

1.1 功能描述

本装置是基于压电陶瓷的环境振动驱动微型压电发电装置，主要是收集环境中的振动能量，根据压电效应把振动能量转化为电能存储起来，以供应各种用电设备。它主要由电路部分和机械部分2部分组成，电路部分包括整流、滤波、稳压和存储电路，机械部分包括由压电陶瓷片、可调金属重物和压电弹簧片组成的压电振子、透明上壳和硬塑底座。

系统的总体设计框图如图1所示。

图1系统总体设计框图

1.2 装置内部结构及整体外观

图2 装置内部结构图

本压电发电装置采用了硬塑作为底座，透明蓝色上壳，轻巧美观，底座有两个固定圆孔，方便安装和移植，透明上壳可拆开，压电振子一端被固定于底座的固定端，另一端安装了一个可调节的金属重物，用于调节压电振子的固有频率，跟外界达到共振的状态，可以输出最大功率，压电振子是由一个弹簧片和数片压电陶瓷构成的。转换和存储电路置于压电振子下面。压电发电装置内部结构图及整体外观图如图2和图3所示。

图3 装置整体外观

1.3 电路部分

对于压力发电，最大的难题就是电能的存储。因为用压电陶瓷片产生的电是交流脉冲电流，对于这种电流是很难将它存储的，因为电流很微弱且方向不稳定，而电存储的技术用的都是直流储电。所以首先要把交流脉冲电流经过整流器变成直流电，再进行存储。对于发电系统的模型，用2个1F的大电容存储电能，再利用锂蓄电池进行大容量蓄电。

图4 电路整体原理图

电路整体原理图如图4所示。由于压电振子产生的是正负交替变化的交流电，在存储前，必须采用整流电路进行整流。在连续周期性激励的情况下，压电转换模块产生的交流信号近似于正弦信号。该模块的工作原理如图4所示。压电转换模块输出交流信号经整流后变成直流，此时的直流电压不稳定，存在交流谐波分量。滤波电路由电容组成，它的作用是尽可能地将单向脉动电压中脉冲成分滤掉得到比较平滑的直流电压。经过整流滤波后电压接近于直流电压，但其电压值的稳定性很差。因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

1.3.1 整流方案论证

整流的方法主要有单相波整流、全波整流和倍压整流，因为压电振子输出电流微弱，整流方法的选择非常重要，而整流方法各有优缺点，下面将对其一一进行比较。

1)单相波整流。单相半波整流利用二极管的单向导通性，使流经整流电路的正弦电压Vr出来时只有半个周期可以到达负载，在负载上得到的电压是以单方向的脉动直流电压，脉动大、利用效率低。

2)全波整流电路。半波整流电路中，负载上只能得到正弦电压波形的一半，另外一半被舍弃掉了，所以整流效率很低。全波整流电路能把正弦交流电的正、负两个半波都利用起来，输出电压的脉动度会大大减小，整流效率也将得到显著提高。全波整流电路是在半波整流电路的基础上加以改进而得到的，是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正半周和负半周内轮流导电，而且二者流过负载的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。其中桥式整流电路为典型应用。

3)倍压整流电路。倍压整流常用于一些需用较高电压、负荷电流较小的地方，在一般的整流电路中，若变压器的变比已确定，则输出电压平均值的上限就被确定，通常桥式整流电路因为二极管存在着正向压降，电压峰值经整流后会有所下降。而使用倍压整流电路就可以提高输出电压平均值。因为压电振子输出的功率是一定的，当电压提高时，相应的电流峰值会有所下降。压电振子的电压可以通过压电陶瓷片的串联来提高，但是压电振子的输出电流却很难提高，需要并联很多压电陶瓷片。所以倍压整流电路不适合本压电发电装置。

综上所述，选择全波整流电路为整流方案中效率最高、最合适的方案。

1.3.2 存储电路方案论证

大部分用电设备对电源都有电压、功率大小和稳定性等严格要求，而压电振子产生的电能瞬时功率相对较小，不能直接为用电设备提供能量。但是振动是时刻存在的，只要周围环境有振动压电发电装置就可以输出电能，但是用电设备只是在某段时间需要电源，所以需要在利用压电振子产生的电量之前先进行电荷的累积。因此，高效的收集、储存能量的方法就成为压电发电装置的输出电能要解决的关键问题。

普通电解电容具有充电速率快和充电电路简单的优点，可以在压电振子发电量极小的情况下快速充电，但由于存储容量小、自由状态下易漏电等缺点，只能为微电子设备提供短暂性、间歇性的能量。超级电容具有容量大、寿命长、过电压不击穿和自由状态下不漏电等优点，可以代替普通电容作为一种连续、稳定的电源。作为压电发电装置第一级的电荷收集非常合适。锂电池具有能量密度高、生命周期长和容量保持性好的特点，也适合作为第二级的能量存储。

所以本方案采用了一个1F的超级电容作为第一级的电荷收集储能元件，采用了锂电池作为第二级能量存储元件。转换和存储整体电路图如图5所示。

输入为压电陶瓷的输出电压，是交变电压。经过整流桥D3整流和电容C3、C1滤波后，变为直流电压。MAX666为美国MAXIN公司生产的微功耗、低压差CMOS线性稳压集成电路，其输入电压范围为2～16.5 V，输出电压既可为5 V固定输出又可为1.3～16 V可调式输出，最大输出电流为40 mA。本电路为3.7 V输出，对超级电容C2充电。

图5 转换和存储整体电路图

MAX666的管脚引线功能简介表1所示。

表1 MAX666的管脚引线功能简介

1.4 机械部分

1.4.1 结构设计

环境振动驱动微型压电发电装置的装置内部结构图和装置整体外观图如图6和图7所示，由一块压电弹簧片、数片压电陶瓷、可调金属重物、硬塑底座、透明上壳和电路板组成的。

图6 装置内部结构图

压电陶瓷片：压电振子是由表面覆盖电极且具有一定形状的压电陶瓷片制成。把压电陶瓷与铜连接在一起构成压电复合振子。如图8所示为薄圆板结构压电复合振子结构模型。

图7 装置整体外观图

图8 薄圆板压电结构模型

1.4.2 设计理念

在一定的应变范围内，压电弹簧片的平均应变越大，高应变能区间越大，压电陶瓷布置在压电弹簧片上的数量越多，压电陶瓷从外界吸收的能量越大，发出的电能越多。压电弹簧片的最大位移越大，压电弹簧片达到最大位移的时间越长，振动的空间受到限制，压电陶瓷发出的电能不理想。由于压电弹簧片处于高频率振动，压电弹簧片受到的最大应力越大，其抵抗破坏的能力(强度)越差，抵抗弹性变形的能力(刚度)越差。

1.4.3 压电弹簧片仿真分析及试验测试

利用ANSYS有限元分析软件，通过采用控制变量法对直径为20 mm的压电陶瓷，压电弹簧片面积为1×104mm2，不同尺寸，不同材料的振动片进行静力学分析和模拟分析得出压电弹簧片的最大应力、最大位移、应变分布情况，从而确定最佳材料和尺寸的压电弹簧片。

压电陶瓷直径为20 mm、压电弹簧片面积为1×104mm2，对Fe2O、Steel、PVC、铝合金，改变其尺寸，进行静力学分析和模拟分析得出如表1、表2、表3、表4的实验数据。

表2 Fe2O压电弹簧片仿真分析

表3 Steel压电弹簧片仿真分析

表4 PVC压电弹簧片仿真分析

表5 铝合金压电弹簧片仿真分析

1.4.4 仿真测试试验结果分析

压电弹簧片面积一定时，规格为200 mm×50 mm×1.5 mm压电弹簧片的高应变能区域面积是最大的，即压电陶瓷有效的布置面积最大，因此在这区域内可以布置的压电陶瓷片数量也就最多。

规格为330 mm×30 mm×1.5 mm振动薄片，经仿真分析，其局部最大应力为340 MPa，而压电弹簧片长期要处于高频振动，其刚度和强度较差，因此局部的高应力会大大缩短压电弹簧片的寿命。

规格为120 mm×80 mm×1.5 mm振动薄片，局部应力很小，但是由于长度短造成了其平均应变很小，其应变能也随着变小，不能为压电陶瓷提供足够高的能量。

结论：在尺寸方面，200 mm×50 mm×1.5 mm规格是最理想的。

不同材料之间(研究规格为200 mm×50 mm×1.5 mm的振动薄片)：

1)对比三种金属材料，Fe2O和铝合金材料综合性能是比较理想的，Steel钢由于硬度过高，其局部应力较大，应变小于其它三种材料，因此不能符合压电陶瓷的应变要求。

2)对比Fe2O和铝合金材料，可知Fe2O应变和高应变能区间都要比铝合金材料略高，而压电弹簧片最大位移和最大应力要比铝合金材料稍小，因此Fe2O的应变综合性能要比铝合金材料更好。

3)对比Fe2O和PVC材料，在局部应力方面，PVC材料要比Fe2O小得多，而且在应变和高应变能区间方面，PVC材料要比Fe2O高，从这几方面来看，PVC材料综合性能比较好，但PVC的最大位移是Fe2O材料的2倍还多，这表明在满足应变需求的前提下，PVC的压电弹簧片达到最大位移的时间越长，振动的空间受到限制，压电陶瓷发出的电能不理想。

结论：在材料方面，Fe2O材料的振动片的综合性能是最佳的。

综上所述： 200 mm×50 mm×1.5 mm规格的Fe2O压电弹簧片的平均应变、高应变能面积比较大，可布置的压电陶瓷数量多，压电陶瓷从外界吸收的能量大，发出的电能最为理想，其最大位移、最大应力比较小，压电弹簧片的刚度和强度较好，振动空间较为理想，因此选择200 mm×50 mm×1.5 mm规格的Fe2O压电弹簧片作为惯性振动式压电发电装置的振动片。

Fe2O压电弹簧片仿真模拟(200 mm×50 mm×1.5 mm规格)如图9、图10、图11所示。

图9最大应力仿真模拟 图10最大位移仿真模拟

图11 应变仿真模拟

2 压电发电的基础理论

2.1 压电效应

当对压电陶瓷施加一个与极化方向平行的压力F，如图12(a)，晶体将产生压缩形变(图中虚线)，晶体内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，晶体恢复原状(这是一个膨胀过程)，晶体内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。相反的，若在压电晶体上加一个与极化方向相同的电场，如图12(b)，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，晶体内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，晶体沿极化方向产生伸长形变(图中虚线)。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则晶体沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。

(a)正压电效应 (b)逆压电效应

图12压电陶瓷的压电效应

2.2 压电材料的介绍

压电材料品种很多，性能各异，主要有压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料、玻璃陶瓷和弛豫电单晶体等。其中，压电陶瓷具有优异的压电性能，应用也最为广泛。

压电陶瓷比任何单晶体材料具有多方面的适应性，在物理和化学性质上，比一般晶体也要好得多，并且可以做成任何需要的形状和大小；同时，可以自由选择其极化方向，加工成本较低。作为换能元件，压电陶瓷可以通过改变压电陶瓷的化学成分组成或添加杂质改变其各方面的性能，以适应各种不同的用途。压电陶瓷通过压电效应转换，即使在静态和准静态条件下工作，也能转换K2W机的电能(K是机电耦合系数，K2是衡量机电能量转换的能力)。选择其中压电系数d高，机械强度高，反复加压后性能稳定，介电常数较大的材料，可作为较理想的发电工作物质。

其中，机电耦合系数K是表示压电体中机械能与电能之间相互耦合程度的一个参数，是衡量压电性能优劣的一个综合物理量。它的定义为：

机电耦合系数K值主要由压电材料的种类确定，压电材料的机电耦合系数在不同需要场合有不同的追求，当制作压电发电装置时，机电耦合系数越大越好。

相对介电常数ε反映材料的介电性质或极化性质。不同用途的压电元件对相对介电常数要求也不相同。通常压电元件在高频状态工作时，相对介电常数ε要小，反之要大一些。

压电应变常数d是表示当在压电陶瓷上施加电压时，它就会产生某种变形，反映这种电学量与变形量(或力学量)之间的关系的就是压电应变常数。其定义(无外力作用时)为：

d值越大，表明电-机转换性能越好。

表6 几种型号的压电陶瓷的压电介电性能

压电陶瓷中的PZT-5具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有良好的时间稳定性和温度稳定性，适合作为压电振动微型发电机的换能元件材料。

2.3 压电陶瓷的串联与并联

为了使压电发电装置在较小的激励强度、较宽的频率范围内都具有发电能力，可以采用多个压电陶瓷并联或串联的压电振子结构方式。

图13(a)为并联方式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C＇为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压U，极板上电荷量q＇为单片电荷量q的两倍，即q＇=2q，U＇=U，C＇=2C。

图13(b)为串联方式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q＇等于单片电荷q，而输出电压U＇为单片电压U的二倍，总电容C＇为单片电容C的一半，即q＇=q，U＇=2U，C＇=C/2。从而可知，若采用并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合；若采用串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。

由于压电陶瓷的内阻很大，输出电流很小，所以本装置采用多片压电陶瓷并联和串联。并联可以提高压电振子输出的电流，串联可以提高压电振子的输出电压，为后面转换提供足够的功率。

(a)并联型 (b)串联型

3 实验及制作

3.1 实验预测方案

通过初步对单片压电陶瓷片进行测试，电压在4～15 V之间变化，电流为20～30 uA之间，进行理论计算。本装置采用多片压电陶瓷片并联同时进行串联如图14和图15所示，设每片的电流为i，电压为v，压电振子输出的总电流为I，总电压为V总共使用了2n片压电陶瓷片，分成P1、P2两组分别进行并联，贴在压电弹簧片的两边，贴在压电弹簧片的两组压电陶瓷片的极性方向相同。根据3.3压电陶瓷的串联和并联的原理可以得到下面的公式：

I=ni

(1)

V=2v

(2)

当取n=6时，经计算总电流在120～180 uA之间，总电压在8～30 V。

图14压电振子正面 图15压电振子反面

3.2 实物实验测试

实验采用的压电陶瓷片：PZT-5换能陶瓷片；实验采用的压电弹簧片：钢尺改装后的钢板；实验采用的测量工具：DT9205N型号的万能表；实验采用的振动源：人工手动。

根据预测方案对实验压电振子产生的电压进行了5次测量，实验数据如表7所示。

表7 压电振子测试电压表

根据预测方案对实验压电振子产生的电流进行了5次测量，实验数据如表8所示。

表8 压电振子测试电流表

经过实验实际测试得的总电流在60～70 uA之间,电压在8～20 V之间，理论跟实际测试出现很大的误差，所以预测方案不成立，需研究找出解决方法并对方案进行改进。

3.3 发现问题及分析原因

理想状况下是可以达到理论预测值的，但是实验是在非理想状况下进行的，通过上面数据可知电流和电压都比理论值小，电压误差不大，电流误差很大，通过查找资料和对实验器件和仪器的分析，预测出产生误差的原因如下：

压电陶瓷片的内阻很大而且阻值不一；压电陶瓷片贴在弹簧振子的位置不一样，形变程度不一样，产生电流电压的初相不一样，导致部分电压电流被抵消掉；导线和弹簧片存在电阻，形成压降，电流也变小；电万能表存在必然误差和偶然误差和表笔接触不良；采用的人工手动作为振动源，存在很大的随机性和不稳定性；弹簧片的硬度和厚度太大，产生的形变不大。

应对措施：采用导电性能更好的导线；不要直接利用弹簧片作为导电物质，因为采用的弹簧片电阻一般导线大，且不同材料的弹簧片电导率不同；在不损坏压电陶瓷片的前提下，选取硬度和厚度比较小，宽度比较大的弹簧片，使压电陶瓷片产生最大的形变，而且初相基本一致；采用频率可调的稳定振源，将振源的频率调到跟压电振子固有频率一致，使压电振子达到共振，产生最大的电流和电压，而且压电振子可以提供稳定功率。

3.4 根据分析结论进行试验证明

3.4.1 改变导线对比实验

用作电线电缆的导电材料，通常有铜和铝两种。铜材的导电率高，50 ℃时的电阻系数，铜为0.020 6 Ω·mm2/m，铝为0.035 Ω·mm2/m；载流量相同时，铝线芯截面约为铜的1.5倍，采用铜线芯损耗比较低。由于导线的内阻很小，对压电振子的影响很小，所以现在不做实际测试，而是选用铜导线。同时考虑到压电陶瓷片跟焊锡的相容性很差，焊接时出现导线很难粘附于压电陶瓷片表面，而且在强烈振动的环境下易脱落，焊点接触不良，导致压电振子内阻变大。本方案经过深入研究，决定采用导电胶带作为导电材料，导电胶带不但具有优良的导电性能而且粘附性极强，方便连接各压电陶瓷片，选用双面导电胶带连接压电陶瓷片的一极和弹簧片，单面导电胶带连接压电陶瓷片的另一极。

导电胶带参数如下：

材质：铜(Cu) 99.98%；基材厚度：0.018～0.05 mm；胶粘厚度：0.035～0.04 mm；胶体成分：普通压敏胶(不导电)和导电压克力压敏胶；剥离力：1.0～1.5 kg/25 mm(180°反向剥力力测试)；耐温性-10～120 ℃；张力强度4.5～4.8 kg/mm；伸长率7%～10%MIN。

3.4.2 改变压电陶瓷片对比实验

任意选取10片压电陶瓷片分别用万能表测量阻值如表9所示。

表9 改变压电陶瓷片测试阻值表

结论：压电陶瓷片阻值很大，而且相对误差不大，不是影响压电振子输出的主要因素。

3.4.3 改变压电弹簧片的参数对比实验

200 mm×50 mm×1.5 mm规格的Fe2O振动片的平均应变、高应变能面积比较大，可布置的压电陶瓷数量多，压电陶瓷从外界吸收的能量大，发出的电能最为理想，其最大位移、最大应力比较小，振动片的刚度和强度较好，振动空间较为理想，因此选择200 mm×50 mm×1.5 mm规格的Fe2O振动片作为惯性振动式压电发电装置的振动片。这是相对于多片压电陶瓷片组成的整个系统的理论分析，下面将对两片串联的压电陶瓷片进行实验实践。

影响压电振子输出的因素主要有压电弹簧片的长度、宽度、厚度、振动源的频率，压电弹簧片的长度、宽度、厚度，但是因为实验现阶段还没定制专用的压电陶瓷片，所以本实验仅限于改变压电弹簧片的参数和振动源的频率，以后定制专用的压电陶瓷片将会大大提高压电发电装置的发电功率。

3.4.3.1 压电振子长度对电压输出特性的影响

压电振子的宽度为20 mm，基板厚度为2 mm，压电晶片厚度为0.2 mm。在其它性能参数不变的情况下，将压电振子长度作为变量，分别取30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm，110 mm，120 mm，当在悬臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力时，得到实际测量值如表10所示。

表10 压电振子长度对电压输出特性的影响测试电压表

由表10可知，在外力激励条件一致时，随着压电振子长度的增加压电振子的输出电压增大。

3.4.3.2 压电振子宽度对电压输出特性的影响

压电振子基板的长度为60 mm，厚度为2 mm，压电晶片厚度为0.2 mm。分别取宽度为10 mm，20 mm，30 mm, 40 mm，50 mm，当在悬臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力时，得到实际测量值如表11所示。

表11 压电振子宽度对电压输出特性的影响测试电压表

由此可以看出，在其它所有参数条件不变的情况下，输出电压随压电振子宽度的增加而减小。

3.4.3.3 振子厚度对电压输出特性的影响

压电振子的长度为60 mm，宽度为20 mm，基板厚度分别取1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm，在其它性能参数不变的情况下，当在悬臂梁端部的中心位置施加0.1 N的外力时，得到实际测量值如表12所示。

表12 振子厚度对电压输出特性的影响测试电压表

3.4.3.4 振动频率对压电振子产生电压的影响

压电振子与周围设备共振时，振动最为剧烈，产生的电压也最大。为了研究不同振动频率对压电振子产生电压的影响，选取PZT-5换能陶瓷片，金属片的尺寸为200 mm×50 mm×1.5 mm的压电振子，并在压电振子的自由端粘贴了尺寸为14 mm×5 mm×5 mm，质量为2.56g的质量块。得到的实验数据如表13所示。

表13 不同振动频率压电振子产生的电压

绘制振动频率对产生电压的影响规律如表13所示。可以看出，随着振动频率的增大，压电振子产生的电压也逐渐增大，当振动频率为38.1 Hz时压电振子产生的电压也达到了最大为8.3 V。此时压电振子剧烈振动，当振动频率继续增大时，压电振子振动反而减弱，电压值也逐渐下降，当振动频率大于60 Hz时，实验台振动非常剧烈，可见，压电振子的固有频率约为38.1 Hz。

日常生活环境中的振动源产生最大加速度时的主要频率分布在500 Hz以内。汽车行驶中传动机构及来自路面的振动频率为400～2 000 Hz。微电子设备应用环境频率有时高达上万赫兹。通过对环境振动的测试结果分析可知，环境振动频率分布广泛，加速度强弱也有很大差别，采用环境振动驱动的压电发电装置应根据其应用环境进行合理的设计，让输出的能量保持最大，满足用电设备的功耗要求。环境中的各种振动激振源情况如表14所示。

表14 环境振动激振源情况列表

由表14可知，小汽车发动机和卡车发动机的峰值加速度的频率在37～40 Hz左右，而设计的压电发电装置的固定频率为38.1 Hz，所以运用在小汽车和卡车上可以达到共振，让输出的能量达到最大。而且设计的压电发电装置里面具有可调金属重物，可以根据运用的环境调节压电发电装置的固定频率，使压电发电装置达到共振，可见设计的压电发电装置具有很强的移植能力和适应能力，能够满足大部分用电设备的需求。

3.5 装置制作

3.5.1 电路部分制作

根据转换和存储整体电路图焊接电路如图16所示。

图16 转换和存储整体电路实物图

3.5.2 机械部分制作

利用软件PROE绘画装置内部结构图和装置整体外观图如图17、18所示。

图17装置内部结构图 图18装置整体外观图

4 设计制作中关键技术问题

4.1 电路部分的关键技术问题

通过比较各种整流电路，选择效率最高而且适合本装置的整流电路，尽量减少在整流时损耗的能量，提高整个装置的效率。

通过设计滤波稳压储能电路，选择低功耗稳压芯片，采用超级电容作为第一级存储元件，锂电池作为第二级存储元件，尽量减少在稳压储能时损耗的能量，同时为锂电池提供稳定的充电功率。

4.2 机械部分的关键技术问题

基于PROE建模，ANSYS分析，并采用控制变量法，研究了不同因素对振动片变形的影响程度，确定了振动片的最佳材料和最优尺寸。

根据仿真软件分析出来的理论方向进行实验实测，采用控制变量法，分别改变压电弹簧片的长度、宽度、厚度、振动源的频率，记录不同参数下压电振子输出的电压，找出最合适参数，使压电振子输出的功率最大。

通过比较不同的材料压电陶瓷片，选择PZT-5的压电陶瓷，它具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有良好的时间稳定性和温度稳定性，适合作为压电振动微型发电机的换能元件材料。

为了方便实验测试，本实验暂时是采用一般的PZT-5换能陶瓷片，所以输出的功率偏低，现已经联系了青岛国林压电科技有限公司，该公司已经有生产压电发电片，为了提高压电发电片的功率和本装置的需求，该公司已经在研制更合适的压电发电片。

通过实验，比较不同导电材料对本装置的适用性，最终采用了导电胶带，该胶带具有优良的导电性能而且粘附性极强，克服了压电陶瓷片跟金属不相容性，使压电振子在高强度的振动下，仍能牢固不会脱落。

5 创新特色

5.1 利用环境振动能量发电

环境振动是环境污染的一个方面，铁路振动、公路振动、地铁振动、工业振动均会对人们正常的生活和休息产生不利影响。过量振动会使人不舒适、疲劳，甚至会导致人体损伤。其次，振动会形成噪声源，以噪声形式影响或污染环境。通过利用本装置，不但能够利用环境的振动能量发电，有效地缓解能源危机，而且还能减小环境中的振动污染，从根源上解决噪声的产生。

5.2 集成度高、能量密度高、环保节能

本装置体积小、重量轻、结构简单、安装方便，集成度高，经不断改进后，可以制成手机电池大小，可直接利用于各种移动电子设备。而且经改装后的装置能量密度高，像手机电池大小或者更小的装置就足以为一般电子设备提供电源。同时本装置不同于一般的化学电池，它采用的材料无辐射污染，无化学污染，对人体和环境无害，可以直接运用于生活中的电子设备中。如果对本装置进行开发利用，可减少化学电池中有害物质的排放，做到节能减排。

5.3 寿命长、能量可靠、对环境适应性强

本装置采用压电陶瓷片作为发电元件，压电弹簧片采用合理的参数，经理论预测，可运用十年左右。环境振动无处不在，无时不在，只有有振动能量的存在，本装置就能稳定发电，存储电能，所以能量可靠。至今，人们已经开发了太阳能电池、风能发电装置、温差发电装置等电源，但环境依赖性强、在不满足其环境要求下无法持续提供电能。而本装置只要所处的环境有振动就能发电，对环境适应性强。

5.4 运用范围广、价格便宜、可产品化、易推广，具有很大市场价值

本装置经改装后可广泛运用于手机、mp3、数码相机、笔记本电脑、掌上电脑、商务通等电子产品，列车、汽车、野外等无线传感器网络系统中，如果批量生产，价格可以降低到一般电池的价位，针对不同的用电设备采用不同的稳压芯片，既可以输出不同电压和功率，供应给不同的用电设备，所以很容易推广，具有很大的市场价值。

5.5 主要技术指标

本装置的最大转换效率可以达到35%，是太阳能电池转换效率的三倍；平均输出功率达到最大值100 mW，一般手机的耗电功率为0.27 mW；将95%的电能有效地使用到用电设备上；平均使用寿命可以达到10年；未经改进前的体积是160 cm3，重量是100 g左右，改进后可以达到12 cm3，重量达到20 g左右。

6 预计应用前景

随着能源危机的逼近，寻求其他新能源势在必行，而利用环境中的振动能量发电具有相当可观的发展前景。环境振动是环境污染的一个方面，铁路振动、公路振动、地铁振动、工业振动不但会造成能量的极大浪费而且会对人们的正常生活和休息产生不利的影响。而本装置正是巧妙地利用环境中的振动能量发电，同时能够减少振动污染，对人体和环境无害，无辐射污染和无化学污染，环保节能，可以广泛运用于手机、mp3、数码相机、笔记本电脑、掌上电脑、商务通等电子产品，列车、汽车、野外等无线传感器网络系统中。本装置经改进后体积小、重量轻、集成度高，可直接利用于各种移动电子设备。如果批量生产，价格可以降低到一般电池的价位， 针对不同的用电设备采用不同的稳压芯片，既可以输出不同电压和功率，供应给不同的用电设备，所以很容易推广，具有很大的市场价值。

7 产品推广

本装置经过精心挑选高输出功率的压电发电片，采用集成转换电路，采用环保而且体积小储能元件，就可以大大地减小本装置的体积。它采用了凌力尔特公司设计制造的LTC3588-1压电式能量收集芯片，该芯片集成了一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器。还采用了青岛国林压电科技有限公司的高输出功率的压电发电片，如果再深入研究，可以把压电发电片、转换电路、储能元件集成在一个芯片上，可以为大部分电子设备提供电源。所以本装置不但有很好的研究前景，而且具有很大的市场价值。