单-双晶片压电换能器发电能力仿真分析与实验研究*

侯跃谦，朱金志，田晓超，孙禹泽，王海刚，王志聪，王 虎

(长春大学 机械与车辆工程学院，吉林 长春 130022)

0 引 言

压电材料具有节能环保、寿命长、体积小、不受磁干扰等优点[1]，被国内外学者广泛关注。特别是作为节能环保能源将机械能转化为电能发电技术成为研究的热点[2]。例如美国、日本等国家大量开展了对压电发电与能量存储技术进行相关的研究[3-7]。发电技术最为代表性的就是压电悬臂梁式发电，学者对其进行了大量的分析与研究，主要表现在：①对悬臂梁压电换能器进行理论分析和实验测试来研究其发电性能[8-9]；②为提高换能器发电效率对压电方程进行理论推导，得出影响换能器发电效率的表达式及影响因素[10]；③压电悬臂梁结构尺寸、配置位置以及不同质量对发电能力的影响以及不同金属基板材料对能量传递的影响[11-13]。

笔者主要针对单晶片换能器和双晶片换能器发电能力进行实验对比研究，为压电材料发电提供设计理论与技术参考。

1 结构设计与工作原理

单晶片和双晶片压电换能器结构示意图如图1和图2所示。主要由固定支撑部分、压电换能器(金属基板和压电陶瓷材料粘接而成)以及质量块组成。双晶片压电换能器采用双面晶片陶瓷贴置，单晶片压电换能器采用单面晶片陶瓷贴置。由于压电材料具有正压电效应，当压电换能器受到外部作用力时，压电换能器发生弯曲变形，在质量块惯性作用下，压电换能器弯曲变形进一步变大，压电陶瓷材料在外部应力的作用下产生电荷，进而起到发电的作用。

图1 双晶片压电换能器发电模型

图2 单晶片压电换能器发电模型

1.2 仿真分析

利用仿真软件对单-双压电换能器进行仿真分析，仿真结果如图3、4所示。

图3 单晶片压电换能器仿真图

图4 双晶片压电换能器仿真图

从以上仿真可以看出，单晶片换能器第二阶模态符合振动形态，在换能器的中部发电量最大，最佳频率为38.9 Hz；双晶片换能器第一阶模态符合振动形态，发电量最好，最佳频率为43.1 Hz。

2 实验测试

单-双悬臂梁压电换能器发电能力测试系统图如图5所示，换能器材料及尺寸参数如表1所列。配重块的质量为6.2 g，由信号发生器提供所需的外部激励，此激励信号通过导线传递给激振器，用于控制激振器为压电换能器提供激励振动。激光测微仪测试压电换能器振动幅值，压电换能器在激励的作用下产生振动，产生电能。用数据线连接示波器和微型计算机，由此获得实验的测试数据。

表1 压电换能器材料及尺寸参数

图5 测试装置系统图

2.1 发电量与驱动频率影响关系

单-双晶片压电换能器随驱动频率发电量影响关系曲线如图6所示。

图6 发电量与驱动频率影响关系曲线图

从图中可以看出，单-双晶片压电换能器发电量随驱动频率先增大后减小，且都有一个输出最大值，单晶片压电换能器在驱动频率为38.4 Hz时输出电压最大，最大幅值电压为13.5 V。双晶片压电换能器在驱动频率为42.2 Hz时输出电压最大，最大幅值电压为15.4 V。略小于理论分析值，主要是因为换能器装配精度的影响以及理论模型参数过于理想造成的误差。双晶片压电换能器发电量要高于单晶片压电换能器发电量。

2.2 发电量与激励振幅影响关系

单-双晶片压电换能器发电量随激励振幅影响关系曲线如图7所示。

图7 发电量与激励振幅影响关系曲线图

在外部激励频率为40 Hz时，单-双晶片压电换能器发电量与外部激励振幅成正比。主要是由于在一定的激励频率内，激励振幅越大，压电换能器产生的变形就越大，相应产生弯曲应力也就越大，电荷量随之变大。当激励振幅小于1.2 mm时，单晶片压电换能器的发电能力要优于双晶片压电换能器，当激励振幅大于1.2 mm时，双晶片换能器的发电能力要优于单晶片换能器。如果外界提供的激励振幅较小时，应当尽量优先选用单晶片压电换能器，否则，将选用双晶片压电换能器。

3 结 语

设计了单-双晶片压电换能器发电模型，并对两种悬臂梁压电换能器进行了仿真分析与实验测试，分别测试驱动频率与激励振幅对换能器发电量的影响对比实验。单-双晶片压电换能器在共振频率状态下发电量最大，随激励振幅的增大产生的电能也随之变大。结果表明，双晶片压电换能器发电量要优于单晶片压电换能器，为压电材料发电提供理论依据与技术参考。