CN103051175B - 一种微型压电发电机调频方法 - Google Patents

Abstract

一种微型压电发电机调频方法属于微型电源技术、节能技术领域。其特征在于，在微型压电发电机的其中任意一个压电电极上并联一组并联电容，使该压电电极成为压电调节层，另一个压电电极成为压电收集层；并联电容含有至少两个电容，且所有电容之间是并联关系，每一个电容串接一个开关，用于控制该电容所在电路的断开和接通；当环境振动频率变化时，连续的断开或闭合所述并联电容中的不同电容所在电路时，可以改变并联电容的电容值，使得微型压电发电机的固有频率在开路频率和闭路频率之间任意调节。本发明可应用于不同频率的振动环境，扩大了压电发电机的工作频率范围，提高其对环境的适应能力，实现了固有频率的连续、精密调节。

Description

一种微型压电发电机调频方法

技术领域

本发明属于微型电源技术、节能技术领域，特别设计微型压电发电机电源技术领域。

背景技术

近年来，随着物联网技术的普及和发展，无线传感器网络也得到了广泛的应用。无线传感器网络节点具有小尺寸和高密度特点，对其供电电源的能量密度、寿命和体积等的要求也越来越高，越来越苛刻，传统的化学电池供电方式难以满足其能源供给需求，因而也成为无线传感器技术发展和应用的一个瓶颈问题。通过采集环境中的各种振动能量，将机械能转换为电能的压电发电机，可以持续不断地为各种低功耗电子设备提供能量，可以有效地解决无线传感器网络能源供给难题。但是，当压电发电机的工作频率(固有频率)与环境振动的频率不匹配时，其能量收集效率急剧下降，难以满足电子设备供电要求。因此，为了适应不同环境的振动频率，要求压电发电机的工作频率必须能够随环境振动的频率变化而变化。到目前为止，人们提出的各种压电振动发电机，要么是工作频率固定的，要么是通过手动调节末端质量块的质心位置来改变其工作频率，还没有能够实现连续、精密自动调节的压电振动发动机。

经检索，在国内外公开的文献中，没有关于通过并联电容来对压电发电机进行调频的方法及结构。

发明内容

本发明克服了现有技术的缺陷，提出了一种通过连接并联电容(或旁路电容)来连续自动调节压电振动发电机工作频率的方法及结构。

本发提出的对明微型压电发电机调频方法，所述微型压电发电机含有固定在支座上的两个压电电极，以及所述位于两个压电电极之间的支撑基板，在所述两个压电电极之间串接输出负载；其特征在于，在所述的其中任意一个压电电极上并联一组并联电容，使该压电电极成为压电调节层，所述另一个压电电极成为压电收集层；所述并联电容含有至少两个电容，且所有电容之间是并联关系，所述每一个电容串接一个开关，用于控制该电容所在电路的断开和接通；

所述微型压电发电机的固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\λ}}_r^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{{\mathrm{ml}}^4}}={\mathrm{\λ}}_r^2\sqrt{\frac{(E_p+E_s+E_{p^{\′}})I}{{\mathrm{ml}}^4}}$

其中， 为常数项，ml为压电发电机的质量，EI为弯曲刚度，E_p为压电调节层的弹性模量，E_P’为压电收集层的弹性模量，E_s为基板的弹性模量，I为惯性矩；

压电调节层的弹性模量为：

$E_p={(s_{11}^E-\frac{d_{31}^2\mathrm{bl}}{h_p{C}^z})}^{-1}$

式中， 为柔度系数，d₃₁为压电常数，b、l、h_p分别为压电调节层的宽度、长度和厚度，C^z为压电电容C_p与并联电容C_s之和；

所述并联电容的电容值为：

当环境振动频率变化时，连续的断开或闭合所述并联电容中的不同电容所在电路时时，可以改变并联电容的电容值，使得微型压电发电机的固有频率在开路频率和闭路频率之间任意调节。

其特征还在于，当0＜C_s/C_p＜10时，微型压电发电机的固有频率的调节范围更大。

其特征还在于，当所述压电收集层厚度/压电调节层厚度小于等于2，且支撑基板厚度/压电调节层厚度小于等于时，微型发电机的固有频率调节范围更大。

其特征还在于，所述微型发电机的固有频率调节范围随所述压电调节层的弹性模量增加而上升，因此压电调节层选择弹性模量较大的材料。

其特征还在于，所述微型发电机的固有频率调节范围随所述压电调节层的相对介电常数的增加而上升，因此压电调节层选择相对介电常数较大的材料。

有益效果：试验证明：本发明可应用于不同频率的振动环境，扩大了压电发电机的工作频率范围，提高压电发电机对环境的适应能力，实现了压电发电机固有频率的连续、精密调节。

附图说明

图1是微型压电发电机并联电容调频原理图；其中，1为固定支座；2-1为压电收集层；2-2为支撑基板，2-3为压电调节层；2-4、2-5和2-6为导线；3为电阻；4-1、4-2、4-3和4-i为电容；5-1、5-2、5-3和5-i为开关；i表示电容的个数和开关的个数。

图2是并联电容频率调节方式原理图；

图3是并联电容对固有频率影响规律图；

图4是压电层厚度与调节层厚度比、基板厚度与调节层厚度比压电发电机的固有频率比关系图；

图5是并联电容频率调节范围与基板/压电层长度的关系图；

图6是并联电容频率调节范围与基板/压电层宽度的关系图；

图7是并联电容频率调节范围与基板弹性模量的关系图；

图8是并联电容频率调节范围与压电常数的关系图；

图9是并联电容频率调节范围与调节层弹性模量的关系图；

图10是并联电容频率调节范围与相对介电常数的关系图；

图11是具有不同压电材料压电梁的固有频率调节范围；

图12是输出功率随并联电容值的变化规律图；

图13是并联电容固有频率调节方式与压电发电机阵列融合示意图。

具体实施方式

固有频率的连续和精密调节：压电电极的弹性模量为

$E_p={(s_{11}^E-\frac{d_{31}^2\mathrm{bl}}{h_p{C}^z})}^{-1}---\left(1\right)$

式中， 为柔度系数，d₃₁为压电常数，b、l、h_p分别为压电电极的宽度、长度和厚度。C^z为压电电容C_p与并联电容C_s之和，如图2(a)所示。

当并联电容为短路状态时，如图2(b)所示，并联电容C_s＝∞，因此C^z＝∞，压电电极的弹性模量与柔度系数成反比

$E_{\mathrm{ps}}=\frac{1}{S_{11}^E}---\left(2\right)$

当并联电容为开路状态时，如图2(c)所示，并联电容C_s值为0，压电电极的弹性模量为

$E_{\mathrm{po}}={(s_{11}^E-\frac{d_{31}^2\mathrm{bl}}{h_p{C}_p})}^{-1}---\left(3\right)$

由于压电电容

$C_p=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^S\mathrm{bl}}{h_p}---\left(4\right)$

式中 为应变介电常数。因此，式(3)可写为

$E_{\mathrm{po}}={(s_{11}^E-\frac{d_{31}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^S})}^{-1}---\left(5\right)$

由式(2)和(5)可知，并联电容开路时压电电极的弹性模量要大于并联电容短路时的弹性模量。悬臂梁压电发电机的固有频率为

${\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\λ}}_r^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{{\mathrm{ml}}^4}}={\mathrm{\λ}}_r^2\sqrt{\frac{(E_p+E_s+E_{p^{\′}})I}{{\mathrm{ml}}^4}}---\left(6\right)$

式中， 为常数项，ml为压电发电机的质量，EI为弯曲刚度。E_p和E_P’分别为两个压电层的弹性模量，E_s为基板的弹性模量，I为惯性矩。由于压电发电机的质量与长度、宽度、厚度及密度有关，因而一旦压电梁制造成型，将很难改变；又由于弯曲刚度与梁的宽度、厚度及弹性模量有关，因此，可通过改变压电梁的弹性模量，使弯曲刚度产生变化，来调整压电梁的固有频率。据此，以表1中压电梁结构和材料参数为例，通过式(1)、(2)和(5)分析并联电容与压电电极弹性模量的函数关系，由式(6)研究并联电容对压电发电机固有频率影响的基本规律，结果显示，随着并联电容值的增加，压电发电机的固有频率逐渐降低；连续调节并联电容，可以得到开路频率和闭路频率间的任意频率；当0＜C_s/C_p＜10时，固有频率变化较为明显；尤其当0＜C_s/C_p＜5时，固有频率变化更为为明显；当C_s/C_p＞10时，改变并联电容值，压电梁的固有频率基本不会变化。如图3所示。

表1 压电梁结构和材料参数

二元电容阵列的设计：通常情况下，压电电容为近百nF，旁路电容值范围为1nF-5uF。由于可调电容调节量较小，仅为几十pF，为了以最少的电容实现固有频率的连续调节，提出了二元电容阵列频率调节方式。调节层并联多个电容，阵列中最低位的电容值为C，可以取最低位的电容值为C＝1nF，其它位的电容值为最低位电容值的2^i-1倍，其中i为并联电容的个数，即

C_i＝2^i-1C               (7)

因此，从阵列中获得的总电容为

$C_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{2}^{i-1}C---\left(8\right)$

在各开关闭合或断开状态时的并联电容为

$C_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{2}^{i-1}\mathrm{C\δ}\left(S_i\right)---\left(9\right)$

S_i为开关，δ(S_i)为Dirac函数， 

将式(9)阵列中的电容值写成矩阵形式，开关S_i断开或闭合，等价于0或1。利用二进制矩阵矢量乘以各位值的转置矢量，获得旁路电容值。式(9)又可写为

C_s＝bC_array                  (10)

式中，b为二进制矩阵矢量，C_array为旁路电容矢量。假设阵列中为8个电容，分别4-1，4-2，4-3，4-4，

4-5，4-6，4-7和4-8，对应开关分别为5-1，5-2，5-3，5-4，5-5，5-6，5-7和5-8。当开关5-2，5-4，和5-5闭合时，二进制矩阵矢量为b＝[0 0 0 1 1 0 1 0]，电容转置矢量为C_array＝[128 64 32 168 4 2 1]^T，旁路电容值C_s为

$C_s=b{C}_{\mathrm{array}}=\left[\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 1& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}128\\ 64\\ 32\\ 16\\ 8\\ 4\\ 2\\ 1\end{array}\right]=26\left(\mathrm{nF}\right)$

厚度比对旁路电容频率调节范围的影响：固定压电调节层厚度，改变基板与压电收集层的厚度，分析压电梁的厚度比对固有频率调节范围的影响，分析结果如图4所示。从图4中可以看出，厚度比越小，固有频率可调范围越大；在两个厚度比中，任一厚度比大于2时，其固有频率调节范围将显著下降。

长度和宽度对旁路电容频率调节范围的影响：固定厚度比和材料参数，分别改变长度值和宽度值，分析长度、宽度对旁路电容频率调节范围的影响规律，分析结果如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，长度和宽度的变化对固有频率的调节范围没有任何影响。

以弹性模量较小的铝合金作为基板材料，分析不同压电材料的最大频率调节范围。结果表明：在基板和调节层厚度比为0.5、收集层和调节层厚度比为1时，PZT-5H压电材料固有频率调节范围最大，可达到8％。如图11所示。

构建实验平台，在并联电容短路和开路状态范围内，当压电梁处于谐振状态时，测量负载电阻最大输出功率，研究并联电容对悬臂梁压电发电机输出功率的影响。分别在并联电容短路、开路以及该范围约1/4、1/2、3/4点处，测量电阻的输出电压，并计算输出功率值，如图12所示。从图12中可以看出，随着并联电容值逐渐减小，压电梁固有频率向开路固有频率状态转变；负载输出功率略有上升，在开路固有频率处，达到最大值。可见，在固有频率调节范围内，负载输出功率稳定，实用价值较高。

将并联电容固有频率调节方式与压电发电机阵列融合，在相近工作频率范围内，能够减小压电发电机阵列的体积，降低成本，如图13所示。

Claims (5)

1.一种微型压电发电机调频方法，所述微型压电发电机含有固定在支座上的两个压电电极，以及位于两个压电电极之间的支撑基板，在所述两个压电电极之间串接输出负载；其特征在于，在所述的其中任意一个压电电极上并联一组并联电容，使该压电电极成为压电调节层，所述另一个压电电极成为压电收集层；所述并联电容含有至少两个电容，且所有电容之间是并联关系，所述每一个电容串接一个开关，用于控制该电容所在电路的断开和接通；

所述微型压电发电机的固有频率为：

其中，为常数项，ml为压电发电机的质量，EI为弯曲刚度，E_p为压电调节层的弹性模量，E_P’为压电收集层的弹性模量，E_s为基板的弹性模量，I为惯性矩；

压电调节层的弹性模量为：

式中，为柔度系数，d₃₁为压电常数，b、l、h_p分别为压电调节层的宽度、长度和厚度，C^z为压电电容C_p与并联电容C_s之和；

采用二元电容阵列频率调节方式；调节层并联多个电容，取最低位的电容值为C＝1nF，其它位的电容值为最低位电容值的2^i-1倍；所述并联电容的电容值为：

其中i为并联电容的个数，C为并联电容中最低位的电容值，δ(S_i)为Dirac函数，

将上式阵列中的电容值写成矩阵形式，开关S_i断开或闭合，等价于0或1；利用二进制矩阵矢量乘以各位值的转置矢量，获得旁路电容值：

C_s＝bC_array

式中，b为二进制矩阵矢量，C_array为电容阵列中各位值的转置矢量；

当环境振动频率变化时，连续的断开或闭合所述并联电容中的不同电容所在电路时，可以改变并联电容的电容值，使得微型压电发电机的固有频率在开路频率和闭路频率之间任意调节。

2.如权利要求1所述的微型压电发电机调频方法，其特征在于，当0<C_s/C_p<10时，微型压电发电机的固有频率的调节范围更大。

3.如权利要求1或2所述的微型压电发电机调频方法，其特征在于，当所述压电收集层厚度/压电调节层厚度小于等于2，且支撑基板厚度/压电调节层厚度小于等于时，微型发电机的固有频率调节范围更大。

4.如权利要求1或2所述的微型压电发电机调频方法，其特征在于，所述微型发电机的固有频率调节范围随所述压电调节层的弹性模量增加而上升，因此压电调节层选择弹性模量较大的材料。

5.如权利要求1或2所述的微型压电发电机调频方法，其特征在于，所述微型发电机的固有频率调节范围随所述压电调节层的相对介电常数的增加而上升，因此压电调节层选择相对介电常数较大的材料。