可用于压电发电的振动测试与复现的研究

摘要：该文介绍了压电发电获取振动能的现状，近年来，人们对绿色能源的需求越来越大，利用压电发电获取环境中振动能成为研究焦点。阐述了压电发电基本原理，压电发电是利用了压电材料的正压电效应。设计测试系统实地测试了路基振动波形并探讨了在实验室中复现所测振动波形的方法。

关键词：压电发电；振动能量；振动测试

中图分类号：TP207 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）04-0900-03

Test and Reproduce of Vibration used for Piezoelectric Power Generation

LI Hong-yan

（College of Electronic and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804，China）

Abstract： Introduced the present situation of piezoelectric power generation from vibration， in recent years， as more and more green energy is demanded， using piezoelectric material to harvest vibration energy from environment become the focus of study. Introduced the basic principle of piezoelectric power generation， piezoelectric power generation is realized by using the piezoelectric material's piezoelectric effect. Designed test system and test the roadbed vibration waveform ，discussed a way to reproduce the vibration wave in the laboratory.

Key words： piezoelectric power generation； vibration energy； vibration test

近年来，随着经济全球化、人口的不断增长以及科技的飞速发展，能源在整个人类社会生活中所占据的地位越来越重要。能源的发展以及环境保护也成为全人类关心的焦点问题之一，也是我国社会经济发展的重要问题[1]。同时，随着环保意识的增强，排放标准要求越来越严格，使得人们对电力的需求日趋增强。随着新型高效压电材料的快速发展，利用环境中的机械振动来发电的研究与利用变得愈加的热门。

环境中到处存在着可利用的机械微能源，如列车经过时路基的振动，隧道中车辆驶过时引起的风能和噪声能源。这些能量均可以利用压电材料的压电特性将其转换为电能。

本文主要内容包括：压电发电原理的主要介绍；可用于压电发电的振动的测试实验；实测振动谱复现方法的研究。

1 压电发电基本原理

1.1 压电效应

某些晶体在受到机械力作用而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现数量相等的异号电荷，这也就是压电现象。具有压电效应的介质叫做压电体。通过进一步的研究科学家发现，压电体分别有两种压电效应：正压电效应、逆压电效应。

在无电场条件下，只有晶体的应变或应力，由于“压”而产生“电”的效应叫做正压电效应，如图1所示。

压电材料由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应，如图2所示。

1.2 压电方程组

压电方程是全面描述机电耦合与变换中应变[S]、应力[T]、电位移[D]、电场强度[E]这四个变量之间的线性关系的数学表达式，它集中表达了正、逆压电效应变量间的数量关系。压电材料在[T]和[E]作用下，产生电位移[D]与应变[S]的方程为：

[S=sET+dtE] （1）

[D=dT+εTE] （2）

式（1）（2）中，[εT]为应力恒定时的自由介电常数矩阵，[D]是电位移，[E]是电场强度，[d]是压电常数矩阵，[dt]是逆压电常数矩阵，[S]和[T]分别是应变和应力， [sE]为电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵。

2 振动测试

为了更好的了解环境中存在的振动能源的特性，笔者去实地进行了振动测试。

测试系统包括传感器、A/D采样器和上位机。其中用了加速度传感器和速度传感器分别如图3和图4所示。

本课题进行了实地测试。测试地点为11号线昌吉东路地铁站附近，图5为列车经过时路基的振动时域图。

将时域波形进行FFT变换后得到路基振动谱的频域波形，如图6所示。

由图6可以看出峰值频率主要集中在35-85Hz，其中75Hz点较大。因此，我们在设计压电振子时，应该尽量使其一阶谐振频率在35HZ～85HZ之间，最好是在75HZ，这样压电振子在隧道环境中会有更多的可能在谐振频率下工作，从而提高从机械能到电能的能量转化效率。

3 振动谱复现方法探讨

在实际设计压电振子时，我们只关心隧道中路基振动频谱的能量主要集中在那个频率附近，从而为我们设计压电振子提供必要的参数。考虑到压电发电装置的设计需要多次反复实验，加之列车每次经过时隧道路谱具有重复性质，因此可以尝试设计一套可以复现路基振动频谱的模拟实验平台，在此平台上完成压电发电装置设计和初步实验，这是非常有意义的。

为此我们设计了一套模拟振动路谱的实验系统如图7所示。

由于隧道中振动的时域信号可能在每次测量、在不同路段测量时不尽相同，但理论上频域的波形则会非常接近，更能反应系统振动的特征信息，因此在通常路谱模拟实验中都以路谱频域信号作为控制对象。如图7所示就是将列车经过时振动的时域波经过FFT变换[2]后作为控制目标，通过功放驱动振动台，并激励压电发电装置进行工作，为了保证振动台输出的谱线与实测的谱线吻合，系统要建立闭环的控制。

4 总结

本文主要介绍了一种可以测试环境中振动波形的测试系统，改系统由传感器、A/D采集系统和一台上位机组成。进行了实地的振动测试，由测得的时域波形和频域波形得知，列车经过路基的振动频率主要集中在35HZ～85HZ，最集中的频率点为75HZ，这为设计压电振子提供的依据，因为压电振子工作在谐振频率时发电能力最强[3]。最后文章探讨了一种在实验中复现室外环境中所测得波形的方法，设计一个闭环控制系统。

参考文献：

[1] 张存娥.压电材料的风能转换装置理论研究与创新设计[D].西安：西安理工大学，2009.

[2] 张正甫，潘嘉强.基于硬件DSP的FFT变换[J].日用电器，2012（7）.

[3] 谢涛，袁江波，单小彪，等.多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究[J].西安交通大学学报，2010，44（2）.