一种新型压电地板设计

2021-01-26西安工程大学陕西西安市710048张振声赵婧如阮警漳延浩铭

石河子科技 2021年6期

（西安工程大学，陕西西安市，710048）张振声赵婧如阮警漳延浩铭

1 设计框架

压电效应地板是利用弹性材料的正压电效应，收集人体的振动能量，并将其转化为电能的一种电气设备。目前，在压电发电领域，科学技术已经达到了一个较高的水平，压电发电原型在实验室中也达到了一个较高的水平。要使实验室的成熟产品向产业化方向发展，建立系统的设计与制造理论[1]。地板由基本单元压电片构成,采用压电片之间的并联结构形成压电堆,压电堆之间采用串并联结构将采集到的电能汇总经过整流器整流后用滤波器处理后储存进入锂电池,用定时开关进行电能的收放。地板与地板之间采用并联模式提高功率,将所有采集到的电能汇总进入储能电池板[2]。

2 产品原理与结构

2.1 核心部件工作原理

基于压电陶瓷的正压电效应和超声振动，利用夹层锥形压电驱动发电机对压电陶瓷施加两个相位差为90°的高频激励信号，压电振子在锥面上产生行波，转子在锥面上的旋转运动由摩擦驱动。在弯曲行波的作用下，压电陶瓷板表面产生弯曲变形和诱导电荷。感应电荷经整流储存后，可向外部负载供电[3]。

2.2 PVdF(聚偏二氟乙烯)压电超声薄膜

2.2.1 PVdF压电超声薄膜振动传感原理

压电效应是Jacques Curie和Pierre Curie在1880年发现的，1969年日本学者H.Kawai发现了PVDF薄膜具有强压电性,引起各国科学家的极大兴趣，经过几年的努力,PVDF已成为最具潜力的聚合物压电材料。由于pvdf压电薄膜具有较高的压电常数(d33=20pc/n)和对可变力的高灵敏度，因此选用pvdf压电薄膜。压电输出常数g=174，是石英晶体的10倍。在很高的交变电场中不退极化，单位体积可以获得较大的输出功率。换能器单位体积的最大输出功率与机电耦合系数的平方和换能器能够承受的最大电场强度成正比。膜质轻柔，易于制备，与人体组织具有良好的阻抗耦合性，能粘附在皮肤上，使脉冲信号通过膜而不失真。此外，由于薄膜与人体皮肤相似，可以制作仿生触觉传感器。机械品质因数低，阻尼小，密度低，具有宽带特性，能满足脉冲信号的频率特性。人体的脉搏很低，大约0.5～4Hz，通常约1Hz。由于聚偏氟乙烯膜具有良好的柔韧性，此外，厚度方向的拉伸振动具有较高的共振频率，因此在较宽的范围内(响应范围为0.1～100mHz)可以得到平坦的频率响应。因此，在理论上，pvdf传感器可以检测到微弱的低频脉冲信号[4]。

2.2.2 PVdF压电超声薄膜的应用

由于PVdF压电超声薄膜具备的优越性能，很多学者进行了相关研究。结合其技术，本文介绍了一种用于仿生手的pvdf压电薄膜传感器，该传感器能同时感知英寸、关、尺的脉搏信号。根据脉冲频谱分析，99%的能量集中在10hz以下，最高频率不超过40Hz。调理电路主要是检测微弱脉冲电信号的处理。

聚偏二氟乙烯的压电薄膜换能器是本设计中的一个敏感元件，也是设计中的关键环节之一。它的功能是模拟人体的压力感，将微弱的、低频的脉冲压力信号转化为电信号。压电薄膜具有高的内阻和微弱的脉冲，因此它建立了一个电荷放大器。①低通滤波器由r1和c1组成，上限截止频率约为1000Hz，使脉冲信号的高次谐波能够通过，脉冲信号反映的病理特征信息能够完全保存。电压放大器的主要功能是放大电荷放大器的输出电压信号并提供不同的增益。②过滤掉高频干扰。低通滤波器可以对脉冲信号进行预处理，并通过usb接口与微机进行通信[5]。

2.3 结构

压电地板由两部分构成：①跟普通地板一样的耐磨层,耐磨层可以根据不同的使用场合进行更换。不同表面材质的感压系数不同,所以匹配不同的材料我们需要选择不同规格厚度的压电陶瓷片,来实现最好的发电效果。由于现在的工艺局限,且压电陶瓷片必须要嵌面层中,压电地板在选购表面耐磨层的时候需选择加工时不会破坏压电陶瓷片的材料,地板中选择复合地板,塑胶材质选择较为坚硬的,防止在踩踏过程中使陶瓷片变形碎裂。②由压电模块、功率模块、储能模块三大部分连接而成的技术板块。技术板块与表面层通过压电陶瓷片嵌入连接在一起,电路板安装在表面层背面,并有绝缘密封防水材料覆盖,以增强产品的安全性和耐用性[6]。

压电装置主要包含：①压电陶瓷片。压电发电的核心元件,产生正压电效应,两端极化产生电压；②功率模块；③整流器部件。压电陶瓷产生的电流是瞬间电压通过PWT整流部件将瞬间电压进行整流；④变压器部件。为了适用不同的用电器,变压器起到适配不同需求的用电器的功能；⑤DC/DC变换器部件。由两个开关电路组成,分别位于变压器部件的两边，一个为DC/AC逆变转电路，一个为AD/DC转换电路，两者配合变压器，共同完成我们产品的电流处理功能。

3 产品工艺流程

产品工艺并不复杂,主要步骤为压电陶瓷片的制作,压电陶瓷片的装入,焊接储能电路,控制电路,粘合电路板与表面耐磨层,最后是整体的组装和性能调试。产品的工艺水平直接影响到压电陶瓷的性能和质量。核心技术在于电路板PCB的制造和装入,其中关键就是要确保压电陶瓷受到的压力均匀,并能通过储能和稳压电路将电压稳定的输出。

产品材料的发电地板材料参数，发电地板的结构并不复杂,整块发电地板由六层结构组成,从上到下分别是表面耐磨层,海绵状缓冲层,防水绝缘层,压电陶瓷层,PCB控制电路板层,防水绝缘层,耐磨底层。