引 言

随着各种微电子产品迅速发展及远程无线技术的快速兴起,对器件的自供电技术提出了更高的要求,如今研制一种稳定、高效、简易的并且无污染的微型发电装置已成为一个研究热点^{[1, 2, 3, 4]}。目前应用中主要有电磁发电装置、静电发电装置以及压电发电装置等^{[5, 6]},其中基于压电陶瓷的正压电效应^[7]而发展的压电发电装置,由于结构简单、无电磁干扰、易于制作及无污染等特点被广泛应用于汽车工业、航空航天、生物工程和光学工程等领域^{[3, 4]}。但是由于压电陶瓷本身较脆易碎,在变形过大或受力过大时都将导致永久性失效,使得压电陶瓷应用受限。目前没有好的方法能直接吸收利用汽轮发电机、汽车减震系统、航空发动机等产生的高强度的振动^[1]。为了克服上述限制,扩大压电发电装置的应用范围,提高高强度、低频率振动能量的回收能力和振动控制效果,提出了一种基于压电流体耦合作用的新型压电晶片式液压发电装置^{[1, 2]},即通过流体与压电体的耦合作用转换运动并传递动力,将振动能量转换成电能,以此来构造一个体积小、结构紧凑、通用性强、功率大以及性能可靠的发电装置。本文阐述了压电晶片式液压发电装置的原理及结构,并以单片双晶圆形压电陶瓷设计制作了样机并进行了试验。

1 发电装置的原理和结构

现有的压电振动控制及发电装置大多数是利用单体压电振子直接与振动主体相互作用,如叠堆型和悬臂梁型等压电发电装置,一般无法用于振动强度大,冲击大及 频率较低的场合。故提出一种将液压传动技术和压电发电技术结合起来的发电装置,图 1为压电晶片式液压发电装置结构原理图^[1]。 该装置主要由激振器、液压缸、平衡弹簧、蓄能器、压力计、压电换能器、截止阀和流体导管组成。 工作时,首先将截止阀打开,使各个流体腔流体压力与蓄能器预置压力相等,压电陶瓷不发生变形,液压缸在质量块、流体压力和平衡弹簧的作用下处于平衡位置后,将截止阀关闭。当合适的激励频率输入时,液压缸的活塞就会在质量块的作用下发生上下运动,引起流体腔中压力的大小变化,使得压电陶瓷产生相应的弯曲变形,即液压缸活塞与压电陶瓷之间通过流体的作用传递运动和能量,从而实现机电能量的相互转换。而且本装置可扩展利用多个压电陶瓷一起发电,增加输出功率,提高可靠性,扩展应用范围^[1]。

图 1

Fig. 1

图 1 压电晶片式液压发电装置的结构及原理图 Fig. 1 Schematic diagram of the generator

根据原理图,假设质量块为加载的振动主体质量,调节蓄能器得到系统的背压为P,则在无激励频率输入时,活塞保持静止,系统保持稳定,压电陶瓷无变形,设此时液压缸活塞上下腔体积分别为V_上,V_下,面积分别为S_上,S_下,则质量块产生的重力可表示为

在工作状态下一旦激振器打破系统平衡,活塞便开始有振幅为A的上下振动,引起上下腔流体体积变化ΔV_上和ΔV_下,而其中流体因压电陶瓷变形而产生ΔV_p的体积变化量。假设压电陶瓷直径为d,流体的体积模量为β_e,则根据流体体积模量的定义可得到振动时上下流体压力变化为^{[1, 8]}

参考压电陶瓷的机电能量转换原理^{[1, 10]},结合上述分析所得的流体作用下的压电陶瓷变形曲线表达式,可以得到文中采用单片双晶圆形压电陶瓷设计的压电发电装置的输出电荷量,输出电压及能量与压电陶瓷的结构参数,振动的频率及强度以及整个系统背压等多个要素。

2 样机设计制作

用亚格力板制作蓄能器、压力计、换能器等器件的支撑部件,并将流体导管、液压缸和截止阀等连接起来,同时保证系统的密封性,然后从压电陶瓷引出两根导线直接连接至示波器,将功率放大器和激振器相连,将液压缸与激振器固定。为了平衡液压缸以及其活塞上加载的质量块,激振器上安装一个平衡弹簧,针对不同的质量块,调节弹簧的高度,以确保在不工作时激振器不受压,用打气桶对蓄能器进行打气,调节得到系统合适的背压。实验中主要采用HEV-50型激振器,CDJ2B16*50型液压缸,HEAS-50型功率放大器,TDS2014B型示波器等设备,如图 2为换能器结构图,图 3为发电装置整体图。

图 2

Fig. 2

图 2 换能器结构图 Fig. 2 Structure of the energy converter

图 3

Fig. 3

图 3 发电装置样机图 Fig. 3 Model of the generator

实验选择的工作介质为水,激振器激励电压为正弦信号,主要采用单因素法。单因素法所用的相对固定参数为:压电陶瓷直径60 mm,厚度1.6 mm(压电晶片及基板厚度分别为0.6 mm和1.0 mm,自由电容C_f=0.042 μF)以及液压缸直径16 mm,高度50 mm等。实验主要研究了激励频率、加载质量、激励电压及系统背压等因素对压电晶片式液压发电装置的性能的影响。

测试结果如图 4所示,图 4(a)表明,在0.2 MPa背压下,激励频率在27 Hz左右时压电晶片式液压发电装置的发电能力最强,而激励频率过高或者过低发电量都会大幅度减小,所以该装置可以用于低频振动能量的吸收及发电。图 4(b)主要表明了背压与输出电压之间的关系,整个系统背压较低时,输出电压曲线相对不规则,而随着系统背压增加,输出曲线相对更加光滑和有规律,且输出电压的增加非常明显,如激励频率为27 Hz时测试结果如图 4(d)所示。图 4(c)表明,在一定激励频率和背压条件下,随着加载质量块的增加发电能力也稳定地增长,所以在一定的范围内,提高加载质量可以增大发电量。图 4(e)表明,输出电压随着激励电压的增加而增加,且线性关系也较好。激励电压表征振动的强度,即表明该装置能够吸收高强度的振动能量。

图 4

Fig. 4

图 4 不同测试条件下测试结果图 Fig. 4 Test results under different conditions

根据上述分析可得,该压电晶片式液压发电装置的发电性能和激励频率、加载质量、激励电压及系统背压有着密切的关系。

4 结 论

本文提出一种基于压电流体耦合作用的压电晶片式液压发电装置,并设计制作了样机,试验分析了其输出电压在不同激励频率、加载质量、激励电压及系统背压条件下的变化情况,表明压电晶片式液压发电装置可以实现低频率,高强度振动的发电,但在后续控制电路、发电能效及结构优化等方面还需要更多的努力与研究。论文验证了将压电流体耦合作用用于振动能量回收是可行的,拓宽了压电发电的应用范围,如可利用汽轮发电机、汽车减震系统、航空发动机等振动进行压电发电。