压电振动能量转换电路设计
目 录
目 录 I
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 压电能量转换技术的发展历史 2
1.3 国内外压电能量转换技术的发展现状 2
1.3.1 国外关于压电振动能量转换技术的基础发展 2
1.3.2 国外压电技术研究状况 3
1.3.3 国内压电技术研究状况 3
1.4 压电材料的运用 4
1.4.1 压电能量收集鞋 4
1.4.2 压电发电地板 4
1.4.3 压电发光扇 5
1.5 课题研究的来源及意义 5
1.6 课题主要研究内容 6
1.7 本章小结 6
2 压电技术基础理论 7
2.1 压电效应 7
2.2 压电陶瓷的性能 7
2.3 压电方程 9
2.4 压电振子 11
2.4.1 压电振子的激励模式 11
2.4.2 压电振子的支撑方式 13
2.4.3 压电振子的振动模式 13
2.5 本章小结 14
3 压电振动能量转换装置的研究 14
3.1 压电振动能量转换装置的简介 14
3.1.1 悬臂梁压电发电装置主要有以下几个部分组成 15
3.2 悬臂梁式压电振动能量转换装置 15
3.2.1 压电悬臂梁的外形尺寸与材料参数 15
3.2.2 压电悬臂梁参数的理论分析 16
3.3 本章小结 17
4 压电材料的振动能量转换电路 17< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 4.1 等效模型 17
4.2 压电换能电路原理 18
4.2.1 标准的能量转换电路 18
4.2.2 倍压整流电路 19
4.3 能量转换电路及收集电路设计 20
4.3.1 能量转换电路 20
4.3.2 能量转换电路实验分析 22
4.3.3 系统功能分析 22
4.3.4 实验及结果分析 24
4.4 本章小结 25
5 总结与展望 25
5.1 研究总结与主要创意点 25
5.2 研究展望 26
致 谢 27
参考文献 28
1 绪论
1.1 课题研究的背景
微型电子产品的供电方式一般分为有电池直接供电的类型和不需用电池直接供电的两种两种类型，用电池直接提供电能的方式，电量较为稳定，且能够满足微电子产品的能量需求。然而，在一些高危险的场合，或者是人类一般无法到达只有机器可以深入的场合，不能够用电源直接供电，不易进行电池的更换，就必须采用无源方式实现电量的提供。因此，人们开始寻求某些更为便捷的提供电能的方式替代电池供电，为了在某些特殊的场合或应用领域可以替代电池供电或自动的为电池充电。现在，对于能量收集电路的研究技术，应用于小型电子产品充电作用已经受到大众的追捧，并越来越国际化，特别是这几年，该类技术快速发展。而且，我们生活的环境之中，能量无处不在，将这些能量转换为电能，而且清洁无污染。科学家们也开始在振动中找寻能量的踪迹，并研究出收集装置。机械振动产生的能量转化为电能的方法有很多，压电式能量转换装置只是其中转换方式的一种，但是这种转换方式有其自身的优点，压电式能量转换装置结构简单、易于获得能量，而且收集系统方便，电路不是很复杂，所以，获得研究人员的肯定。
新能源绿色环保技术渐渐成为当今世界各国研究人员热烈追捧的一种新型技术，目前我们生活的环境由于能源污染问题已经相当严重,压电技术正好符合的低碳环保的宗旨。而且，压电振动能量转换装置拥有许多电磁式发电装置很难达到的优点，它结构非常简单、原理并不复杂，而且清洁无污染、成本较低，如果机械装置的振动过于频繁就会使其接口松动，表面磨损严重；其次，机械装置的振动还会影响生产出的产品质量与精度。所以，假如能够把一些有害的振动能量储存起来,而且，通过简单的原理电路，稳压输出，转换成为人类可以利用的电能,不但可以减少对机械设备的结构损伤,降低空气中的噪声污染,而且可以对人类社会日常生活中的能源需求做出补充。把不利因素，转换为有利因素，并加以利用，完全符合当心社会的发展理念。
由于压电振动能量转换技术不仅可以输出电能，还可以实现自身的供电，所以该技术可以工作较长的时间,它的应用前景也是十分的广阔。本次课题主要的研究方向就是针对压电振动能量转换电路的设计，这其中就是用到压电振动供能的原理，及其收集技术的研究。影响压电振动能量转换装置的因素有很多，例如压电材料的类型、压电材料的结构参数、外力的大小、频率等都会对能量转换效率密切相关。通过压电振动能量转换理论框架的建立，找出给定条件下能量转换器的输出电压和最大输出功率，从而对压电能量转换装置进行结构设计和优化。
1.2 压电能量转换技术的发展历史
在十八世纪八十年代初期，居里兄弟发现了一些石英晶体有很多的神奇之处，如果，这些石英晶体在受到外力强烈挤压时，在这些晶体被挤压的表面就会有电荷的产生；如果将这些晶体放入电场中时，由于电场力的作用，晶体就会发生形变，后来这个现象被称为压电现象(piezoelectricity)[1]。而这种压电晶体的物体如果受到外界挤压而发生机械变形，外表面产生电荷的这种现象也被人们称为正压电效应[2]。当压电晶体放入电场中，由于受到电场力的作用，晶体可能就会发生形变，这种现象被称为逆压电效应[3]。直到1917 年，保罗.兰格文才第一个将压电效应用于实践，他将一块很薄的石英晶体两侧包裹上两片铁板，并在两块铁板上接上电极，当给导线通电后就能够发出高频声波，当声波在传播过程中遇到阻碍的物体，声波就会反射回信号，然后接受该信号来判断物体间的距离，以此来探测水下的潜艇的位置。从此以后，压电材料从科学研究领域进入了科学应用领域。亚洲的部分国家，如中国和日本，到了上世纪70年代才开始对压电效应有了初步的研究。第一次世界大战后，正压电效应在传感器和换能器上受到广泛的应用，日本科学家在 1927 年成功推出了石英测力传感器，用于力的测量。压电发电技术越来越接近于人们的日常生活。
1.3 国内外压电能量转换技术的发展现状
1.3.1 国外关于压电振动能量转换技术的基础发展
目前, 世界各国都已经对压电材料主要是压电陶瓷的能量转换收集技术进行了大量的研究，力求找到更好的产能方法。中国的香港中文大学对压电效应的研究也处于全国的领先地位。其中EnOeeanAPPlieations、Millen-nialNet、MieroStrain和MierotrendSystems等在该领域中走在前列[2-8]。
2005年,MillennialNet公司制作出来一种感应式的振动能量转换装置，这种装置的频率约为28 - 30Hz、可以产生约1.2 - 3.6mV的电压。这种i - Beans无线技术生产出的产品大都是偏小型化、而且功率低、可以自行供电。通过低速率的网络将传感器与其它的监控设备连接起来[6]。
目 录 I
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 压电能量转换技术的发展历史 2
1.3 国内外压电能量转换技术的发展现状 2
1.3.1 国外关于压电振动能量转换技术的基础发展 2
1.3.2 国外压电技术研究状况 3
1.3.3 国内压电技术研究状况 3
1.4 压电材料的运用 4
1.4.1 压电能量收集鞋 4
1.4.2 压电发电地板 4
1.4.3 压电发光扇 5
1.5 课题研究的来源及意义 5
1.6 课题主要研究内容 6
1.7 本章小结 6
2 压电技术基础理论 7
2.1 压电效应 7
2.2 压电陶瓷的性能 7
2.3 压电方程 9
2.4 压电振子 11
2.4.1 压电振子的激励模式 11
2.4.2 压电振子的支撑方式 13
2.4.3 压电振子的振动模式 13
2.5 本章小结 14
3 压电振动能量转换装置的研究 14
3.1 压电振动能量转换装置的简介 14
3.1.1 悬臂梁压电发电装置主要有以下几个部分组成 15
3.2 悬臂梁式压电振动能量转换装置 15
3.2.1 压电悬臂梁的外形尺寸与材料参数 15
3.2.2 压电悬臂梁参数的理论分析 16
3.3 本章小结 17
4 压电材料的振动能量转换电路 17< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 4.1 等效模型 17
4.2 压电换能电路原理 18
4.2.1 标准的能量转换电路 18
4.2.2 倍压整流电路 19
4.3 能量转换电路及收集电路设计 20
4.3.1 能量转换电路 20
4.3.2 能量转换电路实验分析 22
4.3.3 系统功能分析 22
4.3.4 实验及结果分析 24
4.4 本章小结 25
5 总结与展望 25
5.1 研究总结与主要创意点 25
5.2 研究展望 26
致 谢 27
参考文献 28
1 绪论
1.1 课题研究的背景
微型电子产品的供电方式一般分为有电池直接供电的类型和不需用电池直接供电的两种两种类型，用电池直接提供电能的方式，电量较为稳定，且能够满足微电子产品的能量需求。然而，在一些高危险的场合，或者是人类一般无法到达只有机器可以深入的场合，不能够用电源直接供电，不易进行电池的更换，就必须采用无源方式实现电量的提供。因此，人们开始寻求某些更为便捷的提供电能的方式替代电池供电，为了在某些特殊的场合或应用领域可以替代电池供电或自动的为电池充电。现在，对于能量收集电路的研究技术，应用于小型电子产品充电作用已经受到大众的追捧，并越来越国际化，特别是这几年，该类技术快速发展。而且，我们生活的环境之中，能量无处不在，将这些能量转换为电能，而且清洁无污染。科学家们也开始在振动中找寻能量的踪迹，并研究出收集装置。机械振动产生的能量转化为电能的方法有很多，压电式能量转换装置只是其中转换方式的一种，但是这种转换方式有其自身的优点，压电式能量转换装置结构简单、易于获得能量，而且收集系统方便，电路不是很复杂，所以，获得研究人员的肯定。
新能源绿色环保技术渐渐成为当今世界各国研究人员热烈追捧的一种新型技术，目前我们生活的环境由于能源污染问题已经相当严重,压电技术正好符合的低碳环保的宗旨。而且，压电振动能量转换装置拥有许多电磁式发电装置很难达到的优点，它结构非常简单、原理并不复杂，而且清洁无污染、成本较低，如果机械装置的振动过于频繁就会使其接口松动，表面磨损严重；其次，机械装置的振动还会影响生产出的产品质量与精度。所以，假如能够把一些有害的振动能量储存起来,而且，通过简单的原理电路，稳压输出，转换成为人类可以利用的电能,不但可以减少对机械设备的结构损伤,降低空气中的噪声污染,而且可以对人类社会日常生活中的能源需求做出补充。把不利因素，转换为有利因素，并加以利用，完全符合当心社会的发展理念。
由于压电振动能量转换技术不仅可以输出电能，还可以实现自身的供电，所以该技术可以工作较长的时间,它的应用前景也是十分的广阔。本次课题主要的研究方向就是针对压电振动能量转换电路的设计，这其中就是用到压电振动供能的原理，及其收集技术的研究。影响压电振动能量转换装置的因素有很多，例如压电材料的类型、压电材料的结构参数、外力的大小、频率等都会对能量转换效率密切相关。通过压电振动能量转换理论框架的建立，找出给定条件下能量转换器的输出电压和最大输出功率，从而对压电能量转换装置进行结构设计和优化。
1.2 压电能量转换技术的发展历史
在十八世纪八十年代初期，居里兄弟发现了一些石英晶体有很多的神奇之处，如果，这些石英晶体在受到外力强烈挤压时，在这些晶体被挤压的表面就会有电荷的产生；如果将这些晶体放入电场中时，由于电场力的作用，晶体就会发生形变，后来这个现象被称为压电现象(piezoelectricity)[1]。而这种压电晶体的物体如果受到外界挤压而发生机械变形，外表面产生电荷的这种现象也被人们称为正压电效应[2]。当压电晶体放入电场中，由于受到电场力的作用，晶体可能就会发生形变，这种现象被称为逆压电效应[3]。直到1917 年，保罗.兰格文才第一个将压电效应用于实践，他将一块很薄的石英晶体两侧包裹上两片铁板，并在两块铁板上接上电极，当给导线通电后就能够发出高频声波，当声波在传播过程中遇到阻碍的物体，声波就会反射回信号，然后接受该信号来判断物体间的距离，以此来探测水下的潜艇的位置。从此以后，压电材料从科学研究领域进入了科学应用领域。亚洲的部分国家，如中国和日本，到了上世纪70年代才开始对压电效应有了初步的研究。第一次世界大战后，正压电效应在传感器和换能器上受到广泛的应用，日本科学家在 1927 年成功推出了石英测力传感器，用于力的测量。压电发电技术越来越接近于人们的日常生活。
1.3 国内外压电能量转换技术的发展现状
1.3.1 国外关于压电振动能量转换技术的基础发展
目前, 世界各国都已经对压电材料主要是压电陶瓷的能量转换收集技术进行了大量的研究，力求找到更好的产能方法。中国的香港中文大学对压电效应的研究也处于全国的领先地位。其中EnOeeanAPPlieations、Millen-nialNet、MieroStrain和MierotrendSystems等在该领域中走在前列[2-8]。
2005年,MillennialNet公司制作出来一种感应式的振动能量转换装置，这种装置的频率约为28 - 30Hz、可以产生约1.2 - 3.6mV的电压。这种i - Beans无线技术生产出的产品大都是偏小型化、而且功率低、可以自行供电。通过低速率的网络将传感器与其它的监控设备连接起来[6]。
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