CN112803830B - 一种哑铃型压电式力-电换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种哑铃型压电式力‑电换能器，包括框体、压电材料、螺杆和质量块，其中，所述压电材料设置有多个，多个压电材料沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆的一端与框体连接，另一端与质量块连接；与传统悬臂梁力‑电换能器相比，由于压电材料处于夹持状态，工作在33模式，仅承受正应力作用，所以压电材料不易产生裂纹，因而此结构换能器的稳定更高，相比传统31模式悬臂梁型换能器，其服役寿命会有显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及换能器领域，具体涉及一种哑铃型压电式力-电换能器。
背景技术
近年来，随着微电子技术、数字系统集成技术的不断成熟，无线传感技术、便携式电子设备、可穿戴电子设备、物联网技术等得到飞速发展。目前，这些微电子设备普遍采用化学电池供电。然而，化学电池存在寿命短，温度稳定性差，更换困难且耗资大等缺点，严重阻碍了此类设备的进一步发展。因此，可以从自然环境中采集热、光、磁、机械振动等能源的自供电器件成为了当前的研究热点，有望取代传统化学电池。在这些可再生能源中，机械振动能量不受地域、时间和天气的限制，广泛存在于人类活动、机器运行、管道、桥梁等环境中。压电式力 -电器可利用正压电效应对振动能量进行收集，并转换为可以再次利用的电能。与电磁式和静电式力-电换能器相比，具有结构简单、能量密度高、小型化等优点，拥有广阔的应用前景。
传统的压电式力-电换能器多为悬臂梁结构，有效实现在机械谐振状态下电信号输出的放大，但是在振动过程中，压电材料处于拉弯、压弯状态，在31模式下工作，即极化方向沿厚度3方向，受力方向沿长度1方向，可发生较大的形变，从而产生较高的输出电压，可是输出电流和功率密度相对较低(功率密度大约为～0.1mW cm-3)，很难满足实际应用需求。同时在该结构下，一方面，压电材料在长时间工作或较大的振动激励下容易产生微裂纹、甚至断裂，进而大大降低力-电换能器的输出性能；另一方面，由于压电材料与悬臂梁结构采用粘结剂连接，工作时间较长时，粘结剂存在脱落的风险，也会造成输出性能的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种哑铃型压电式力-电换能器，解决了现有压电式力-电换能器中存在的输出能量密度低、工作寿命短、压电材料易产生微裂纹的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种哑铃型压电式力-电换能器，包括框体、压电材料、螺杆和质量块，其中，所述压电材料设置有多个，多个压电材料沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆的一端与框体连接，另一端与质量块连接。
优选地，所述框体包括刚性基座和刚性盖板，所述刚性基座和刚性盖板之间平行布置；压电材料置于刚性基座和刚性盖板之间；所述螺杆的一端穿过刚性盖板与刚性基座固定连接。
优选地，所述压电材料为压电片、压电块或压电堆结构。
优选地，当压电材料为压电堆结构时，所述压电材料包括多个压电片，多个压电片沿压电片的厚度方向叠加布置，两个相邻的压电片之间的电极呈叉指电极、满电极或分离式电极结构布置；且多个压电片之间为电学串连接或电学并联连接。
优选地，多个压电材料之间为电学串联连接或电学并联连接。
优选地，所述压电材料的上下两端均设置有绝缘材料。
一种力-电换能装置，包括多个哑铃型力-电换能器本体，多个哑铃型力-电换能器本体之间为电学串联连接或电学并联连接；多个哑铃型力-电换能器本体呈阵列式结构布置在两块板之间。
优选地，所述哑铃型力-电换能器本体包括框体、压电材料、螺杆和质量块，其中，所述压电材料设置有多个，多个压电材料沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆的一端与框体连接，另一端与质量块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种哑铃型力-电换能器，与传统悬臂梁力-电换能器相比，由于压电材料处于夹持状态，工作在33模式，仅承受正应力作用，所以压电材料不易产生裂纹，因而此结构换能器的稳定性更高，相比传统31模式悬臂梁型换能器，其服役寿命会有显著提高；
同时，相比现有的哑铃型力-电换能器，该结构具有小型化、高输出功率密度等优点。
进一步的，由于换能器依靠预紧力实现压电材料和端部质量块的装配，没有粘结剂脱落、老化等问题，可在长时间、大振动激励、高加速度、高温等极端条件下工作。
进一步的，该哑铃型力-电换能器的压电材料为压电堆结构时，通过多个压电片并联的方式获得更高的输出电流，或通过多层压电片串联的方式获得更高的输出电压。
本发明提供的一种力-电换能装置，多个哑铃型力-电换能器的阵列式结构布置，能够提高该力-电换能装置的电学输出性能，使得换能器装置能够在非谐振状态下工作。
附图说明
图1为本发明的一种哑铃型力-电换能器的结构示意图；
图2为哑铃型力-电换能器压电材料放大的结构示意图；
图3为哑铃型力-电换能器压电堆分离式电极结构示意图；
图4为压电堆制作流程图；
图5为本发明的哑铃型力-电换能器阵列示意图；
图6为本发明的哑铃型力-电换能器压电堆串联时输出电压与频率的关系；
图7为单个压电堆电学上并联的压电片层数与输出电压的关系；
图8为本发明的哑铃型力-电换能器压电堆并联时输出电压与频率的关系；
图9为本发明的哑铃型力-电换能器压电堆不同连接方式下输出电流与外加负载的关系；
图10为本发明的哑铃型力-电换能器压电堆不同连接方式下输出功率与外加负载的关系；
图11本发明的分离式电极哑铃型力-电换能器与全电极换能器输出电压与功率对比；
其中，1、刚性基座 2、刚性盖板 3、螺杆 4、质量块 5、压电材料 6、绝缘材料 7、板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例仅是应用本发明的典型范例，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明提出的一种哑铃型压电式力-电换能器，解决了传统悬臂梁结构力-电换能器中压电元件在沿长度方向(垂直于极化方向)受到拉压弯曲应力下断裂的问题。
本发明提出的哑铃型结构，压电材料受到预紧力作用，在振动过程中受端部质量块引起的正拉压应力，所以压电材料在33模式(即极化方向和受力方向相同)下工作由于在d33模式(即极化方向和受力方向相同)下工作，不易产生微裂纹。同时该结构换能器可以使用多个多层(或单层)压电材料单元串联或并联的方式提高输出电压或电流，采用高性能压电单晶材料提高输出功率密度。独立的力-电换能器单元还可以组成换能器阵列，进一步提高输出性能。
如图1所示，本发明提供的一种哑铃型力-电换能器，包括压电材料5、刚性基座1、刚性盖板2、螺杆3、质量块4和用于固定的螺母，其中，刚性基座1和刚性盖板2平行布置；压电材料5置于刚性基座1和刚性盖板2之间；所述螺杆3的一端穿过刚性盖板2与刚性基座1固定连接，所述螺杆3的自由端与质量块4固定连接。
刚性基座1和刚性盖板2之间通过螺杆3配合螺母连接。
所述压电材料5设置有多个，多个压电材料5沿螺杆3的圆周方向均布。
所述压电材料5为方形结构或圆形结构。
压电材料为压电陶瓷材料(如锆钛酸铅陶瓷(PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷(PMN-PT)、铌锌酸铅-钛酸铅陶瓷(PZN-PT)等含铅压电陶瓷或酸钡(BT)基，钛酸铋钠(BNT)基，铌酸钾钠(KNN)基，锆钛酸钡钙(BCZT)基等无铅压电陶瓷)或压电单晶材料(如铌镁酸铅钛酸铅单晶(PMN-PT)、铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅单晶(PIN-PMN-PT)、铌锌酸铅-钛酸铅单晶(PZN-PT)。
如图2所示，压电材料5为压电片、压电块或压电堆。
当压电材料为压电堆结构时，包括多个压电单晶片7，多个压电单晶片7沿其厚度方向叠加布置，两个相邻的压电单晶片之间的电极布置为叉指电极、满电极或分离式电极结构。
两个相邻的压电单晶片通过环氧树脂粘接在一起。
压电材料5的上、下端面分别安装有一片氧化铝陶瓷盖板6，起到保护压电材料和绝缘的作用。
所述压电堆还可通过多层陶瓷共烧工艺制备。
具体地，如图4所示，制备压电材料的具体方法包括以下步骤：
步骤1，获取压电片(压电陶瓷或压电单晶)作为压电元件；
步骤2，将压电片切割成工艺尺寸；
步骤3，将切割好的压电片上下表面分别进行研磨，使厚度均匀、表面平整；
步骤4，按照设计好的内电极图案(满电极、叉指电极或分离式电极)对压电片进行溅射金电极，或用丝网印刷刷上银电极；然后在烘箱中烘干；
步骤5，将带有电极的压电片按照图2所示的厚度方向(即箭头方向)进行极化，极化完成后将压电材料在超声清洗仪中清洗干净，确保表面没有杂质；
步骤6，通过环氧树脂或导电银胶将极化好的压电片和上下盖板粘接在一起，并施加一定的压力将多余的环氧树脂排出，以获得微米级且厚度均匀的胶层，并固化24小时，得到一体化压电堆。具体地，当压电材料5为压电堆结构时，压电堆包括多个压电片，多个压电片之间的连接方式分为电学串联和电学并联，当为电学串联时，使用满电极压电片，且沿压电片的厚度方向堆叠布置，两个相邻的压电片之间通过导电银胶连接；压电堆的上下端面均设置有金属电极，所述金属电极的端面上设置有盖板；当为电学并联时，使用满电极压电片，且沿压电片的厚度方向堆叠布置，两个相邻的压电片之间设置有内电极，且两者之间通过导电银胶或环氧树脂连接，压电堆的上下端面均设置有盖板；所述压电堆的侧面设置有外电极，如图2所示。
步骤7，引出导线，得到完整的压电堆。
具体地，所述刚性基座1和刚性盖板2采用不锈钢、弹簧钢等材料制成。
如图1所示，将哑铃型力-电换能器在X轴和Y轴形成的面上的部分固定在激振台上，进行输出性能测试。
当振动激励作用于换能器时，端部质量块4会沿Z轴上下摆动，通过连接的螺杆3，对压电材料5施加正应力，由于其压电效应进而产生电势，输出交变电压。述哑铃型结构不仅可以防止压电材料产生微裂纹，让哑铃型力-电换能器在大压力下长时间工作或经受较大的振动激励，从而获得更高的能量输出，而且通过增加或减小螺杆3的长度还可以降低或增加哑铃型力 -电换能器的谐振频率，使适用于不同振动环境中。并且，采用高性能PIN-PMN-PT单晶代替传统压电陶瓷，可以提高输出功率密度。
所述压电材料5为压电堆时，采用多层压电片电学上并联的方式连接，可以提高输出电流。并且，采用多层压电片电学上串联的方式连接，可以提高输出电压。
如图3所示，哑铃型力-电换能器还可由多个压电材料5通过电学串联或并联的方式连接而成。具体地，将多个相同尺寸的压电材料5通过螺杆3对称的固定在刚性基座1和刚性盖板 2之间，通过电学串联的方式连接可以获得更高的输出电压，或通过电学并联的方式获得更高的输出电流。处在垂直于哑铃型力-电换能器振动面中心轴面上的压电堆可采用分离式电极，以防止在振动过程中压电材料受到应力与极化同向和反向区域表面所感应出来的正负电荷发生中和。
具体地，图5为构成哑铃型力-电换能器阵列的示意图，多个独立的哑铃型力-电换能器单元可通过电学串联或并联的方式连接，并固定在两块板之间，通过收集环境中的振动能量，可以获得更大的输出电压或电流。
实施例1
具体地，定义哑铃型力-电换能器质量块绕着Z轴振动为横向振动模式，质量块绕着Y轴振动为纵向振动模式。两个压电堆电学串联时的输出电压随振动频率的关系如图6所示。该哑铃型力-电换能器的横向振动频率为350Hz，纵向振动频率为390Hz。由于横向振动频率下，压电材料一半处于压缩状态一半处于拉伸状态，所以应变所产生的的电荷符号相反，相互中和后输出电荷较低，所以输出电压较纵向振动频率下低很多。该实例中哑铃型力-电换能器单个压电堆输出电流为：
I＝Ajπfnd33Ma (1)
输出电压为：
输出功率为：
其中。A、B为常数(与哑铃型力-电换能器尺寸设计有关)；f为谐振频率；n为电学上并联的压电片的层数；M为质量块质量；a为振动加速度；ε0为真空介电常数；d33×g33为压电材料的品质因素。由公式(1)、(2)可以看出，增加单个压电堆电学上并联的压电片的层数(n)可以有效的提高输出电流，输出电压与层数无关。但是当增加压电片层数时，输出电压的变化如图7所示，即不能为了提高输出性能无限制的增加压电堆的层数，但是可以增加压电堆个数来实现性能的提升。例如，当N个压电堆并联时，输出电流为：I并联＝NI,当N个压电堆串联时，输出电压为：V串联＝NV。从公式(3)可以看出，选择品质因数高的压电材料或增加压电片的片数都可以有效的提高哑铃型力-电换能器的输出功率密度。
该实例中当振动加速度为5个重力加速度(9.8m/s2)时，纵向振动频率下哑铃型力-电换能器的输出电压峰值为50.4Vp-p。两个压电堆并联时的输出电压随振动每片频率的关系如图8 所示。哑铃型力-电换能器的纵向振动频率为390Hz，此时输出电压峰值为24.8Vp-p。
哑铃型力-电换能器串联和并联时，输出电流与外加负载的关系如图9所示，串联时最大输出电流约为530μA，并联时最大输出电流约为880μA。哑铃型力-电换能器串联和并联时，输出功率与外加负载的关系如图10所示，串联时最大输出功率约为8.0mW，并联时输出功率约为6.5mW，输出功率密度分别为36.9mW cm-3、30.0mW cm-3，比传统悬臂梁结构的力-电换能器或现有哑铃型力-电换能器大2个数量级。
实施例2
具体地，全电极与分离式电极能量回收器开路输出电压、输出功率测试结果如图11所示。可以看出，在60Hz频率时力-电换能器发生一阶弯曲模态谐振，开路输出电压最大，在0.5g 加速度时全电极样输出电压为3.8Vp-p(峰峰值)、分离式电极换能器样为6.6Vp-p，且输出电压值随加速度增大而线性增加，在2.5g加速度时全电极换能器样输出电压为15.37Vp-p、分离式电极换能器样为26.4Vp-p。所以电极划分确实可以避免正负电荷中和，增大输出开路电压值。在图11中给出在1g加速度下输出功率随负载阻抗变化，外接电阻从0.05MΩ到6MΩ，全电极换能器样最大输出功率在外接阻抗为0.7MΩ时为15.78μW，分离式电极换能器时在外接阻抗1.56MΩ时其最大输出功率为30.07μW，确实通过划分电极的方式能量回收器输出功率提高一倍。测试结果表明分离式电极换能器结构比全电极换能器更加合理，输出功率更高的原因主要归功于通过电极划分避免正负电荷中和。
综上所述，本技术方案的力-电换能器及其阵列利用了压电材料的d33模式，在工作过程中压电材料处于夹持状态，整体形状类似哑铃。在振动激励下，压电材料不易产生微裂纹，可以保证持续稳定的输出。同时，通过多层压电片的串联或并联的方式可以获得更高的输出电压或电流，具有广阔的应用前景。
Claims (6)
1.一种哑铃型力-电换能器，其特征在于，包括框体、压电材料（5）、螺杆（3）和质量块（4），其中，所述压电材料（5）设置有多个，多个压电材料（5）沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆（3）的一端与框体连接，另一端与质量块（4）连接；
所述框体包括刚性基座（1）和刚性盖板（2），所述刚性基座（1）和刚性盖板（2）之间平行布置；压电材料（5）置于刚性基座（1）和刚性盖板（2）之间；所述螺杆（3）的一端穿过刚性盖板（2）与刚性基座（1）固定连接；
当压电材料（5）为压电堆结构时，所述压电材料包括多个压电片，多个压电片沿压电片的厚度方向叠加布置，两个相邻的压电片之间的电极呈叉指电极、满电极或分离式电极结构布置；且多个压电片之间为电学串联或电学并联方式连接；
所述压电材料（5）分别与刚性基座（1）和刚性盖板（2）之间固定连接；
所述压电材料（5）的堆叠和极化方向均沿螺杆长度方向布置；
所述螺杆（3）置于所述框体的中心位置处，且与压电材料（5）之间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的一种哑铃型力-电换能器，其特征在于，所述压电材料（5）为压电片、压电块或压电堆结构。
3.根据权利要求1所述的一种哑铃型力-电换能器，其特征在于，多个压电材料之间为电学串联连接或电学并联连接。
4.根据权利要求1所述的一种哑铃型力-电换能器，其特征在于，所述压电材料（5）的上下两端均设置有绝缘材料。
5.一种力-电换能装置，包括多个如权利要求1-4任一项所述的哑铃型力-电换能器本体，其特征在于，多个哑铃型力-电换能器本体之间为电学串联连接或电学并联连接；多个哑铃型力-电换能器本体呈阵列式结构布置在两块板之间。
6.根据权利要求5所述的一种力-电换能装置，其特征在于，所述哑铃型力-电换能器本体包括框体、压电材料（5）、螺杆（3）和质量块（4），其中，所述压电材料（5）设置有多个，多个压电材料（5）沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆（3）的一端与框体连接，另一端与质量块（4）连接。
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