简易压电晶片式液压发电装置的设计及试验

阮斌+陶振强+贾南南

摘要： 为实现低频率，高强度的振动能量回收和利用，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。通过理论分析设计结构，采用直径60 mm，厚度1.6 mm的压电晶片以及直径16 mm，高度50 mm的液压缸制作样机，用水作为工作介质，测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明：当激励频率（工作频率）在27 Hz左右时，该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大，且在一定的范围内，发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加，验证了液压压电发电的可行性。

关键词： 振动； 压电陶瓷； 液压压电； 发电装置

中图分类号： TM 619文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.016

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[14]。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[56]，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[34]。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[12]，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]。

3试验及数据分析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Cf=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。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。

参考文献：

[1]李征，万杰，阚君武，等.基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器[J].光学精密工程，2012，20（5）：10021008.

[2]王淑云，阚君武，王鸿云，等.液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析[J].振动与冲击，2012，31（16）：177182.

[3]袁江波，谢涛，单小彪，等.压电俘能技术研究现状综述[J].振动与冲击，2009，28（10）：3642.

[4]何玉琳，章海军，林晓峰.压电陶瓷驱动的微步进机构研制[J].光学仪器，2004，26（4）：2629.

[5]GLYNNEJONES P，TUDOR M J，BEEBY S P.An electromagnetic vibrationpowered generator for intelligent sensor systems[J].Sensors and Actuators A：Physical，2004，110（13）：344349.

[6]ANTON S R，SODANO H A.A review of power harvesting using piezoelectric materials（20032006）[J].Smart Materials and Structure，2007，16（3）：R1R21.

[7]张福学，王丽坤.现代压电学[M].北京：科学出版社，2001.

[8]NIEZRECKI C，SCHUELLER J K，BALASUBRAMANIAN K.Piezoelectricbased fluid bulk modulus sensor[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2004，15（12）：893899.

[9]铁摩辛柯.S，诺沃斯基.S.板壳理论[M].《板壳理论》翻译组，译.北京：科学出版社，1977：5275.

[10]阚君武，徐海龙，王淑云，等.压电液压隔振器的能量回收特性分析与测试[J].纳米技术与精密工程，2013，11（3）：196

摘要： 为实现低频率，高强度的振动能量回收和利用，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。通过理论分析设计结构，采用直径60 mm，厚度1.6 mm的压电晶片以及直径16 mm，高度50 mm的液压缸制作样机，用水作为工作介质，测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明：当激励频率（工作频率）在27 Hz左右时，该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大，且在一定的范围内，发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加，验证了液压压电发电的可行性。

关键词： 振动； 压电陶瓷； 液压压电； 发电装置

中图分类号： TM 619文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.016

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[14]。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[56]，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[34]。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[12]，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]。

3试验及数据分析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Cf=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。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。

参考文献：

[1]李征，万杰，阚君武，等.基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器[J].光学精密工程，2012，20（5）：10021008.

[2]王淑云，阚君武，王鸿云，等.液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析[J].振动与冲击，2012，31（16）：177182.

[3]袁江波，谢涛，单小彪，等.压电俘能技术研究现状综述[J].振动与冲击，2009，28（10）：3642.

[4]何玉琳，章海军，林晓峰.压电陶瓷驱动的微步进机构研制[J].光学仪器，2004，26（4）：2629.

[5]GLYNNEJONES P，TUDOR M J，BEEBY S P.An electromagnetic vibrationpowered generator for intelligent sensor systems[J].Sensors and Actuators A：Physical，2004，110（13）：344349.

[6]ANTON S R，SODANO H A.A review of power harvesting using piezoelectric materials（20032006）[J].Smart Materials and Structure，2007，16（3）：R1R21.

[7]张福学，王丽坤.现代压电学[M].北京：科学出版社，2001.

[8]NIEZRECKI C，SCHUELLER J K，BALASUBRAMANIAN K.Piezoelectricbased fluid bulk modulus sensor[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2004，15（12）：893899.

[9]铁摩辛柯.S，诺沃斯基.S.板壳理论[M].《板壳理论》翻译组，译.北京：科学出版社，1977：5275.

[10]阚君武，徐海龙，王淑云，等.压电液压隔振器的能量回收特性分析与测试[J].纳米技术与精密工程，2013，11（3）：196

摘要： 为实现低频率，高强度的振动能量回收和利用，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。通过理论分析设计结构，采用直径60 mm，厚度1.6 mm的压电晶片以及直径16 mm，高度50 mm的液压缸制作样机，用水作为工作介质，测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明：当激励频率（工作频率）在27 Hz左右时，该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大，且在一定的范围内，发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加，验证了液压压电发电的可行性。

关键词： 振动； 压电陶瓷； 液压压电； 发电装置

中图分类号： TM 619文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.016

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[14]。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[56]，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[34]。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[12]，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]。

3试验及数据分析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Cf=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。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。

参考文献：

[1]李征，万杰，阚君武，等.基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器[J].光学精密工程，2012，20（5）：10021008.

[2]王淑云，阚君武，王鸿云，等.液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析[J].振动与冲击，2012，31（16）：177182.

[3]袁江波，谢涛，单小彪，等.压电俘能技术研究现状综述[J].振动与冲击，2009，28（10）：3642.

[4]何玉琳，章海军，林晓峰.压电陶瓷驱动的微步进机构研制[J].光学仪器，2004，26（4）：2629.

[5]GLYNNEJONES P，TUDOR M J，BEEBY S P.An electromagnetic vibrationpowered generator for intelligent sensor systems[J].Sensors and Actuators A：Physical，2004，110（13）：344349.

[6]ANTON S R，SODANO H A.A review of power harvesting using piezoelectric materials（20032006）[J].Smart Materials and Structure，2007，16（3）：R1R21.

[7]张福学，王丽坤.现代压电学[M].北京：科学出版社，2001.

[8]NIEZRECKI C，SCHUELLER J K，BALASUBRAMANIAN K.Piezoelectricbased fluid bulk modulus sensor[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2004，15（12）：893899.

[9]铁摩辛柯.S，诺沃斯基.S.板壳理论[M].《板壳理论》翻译组，译.北京：科学出版社，1977：5275.

[10]阚君武，徐海龙，王淑云，等.压电液压隔振器的能量回收特性分析与测试[J].纳米技术与精密工程，2013，11（3）：196