基于钹式压电阵列的引信发电装置

陈永超，高　敏，俞卫博，张　恺

(1.解放军军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄　050001；2.中国人民解放军92337部队验收部，辽宁 大连　116000)



基于钹式压电阵列的引信发电装置

陈永超1，高敏1，俞卫博1，张恺2

(1.解放军军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄050001；2.中国人民解放军92337部队验收部，辽宁 大连116000)

针对现有引信压电电源发电时间短的问题，设计制作了以弹簧-质量块和压电换能器为主要部件的引信发电装置。该装置能将弹药发射瞬间的冲击能量收集并转换为持续的电能输出。测试结果表明，冲击加载、换能器结构、换能器层数、质量块等对其发电性能有不同的影响规律，且钹式叠堆结构发电性能优于薄片压电叠堆，所提出改进后的发电装置发电时间能达到2.499 s，有效延长了引信压电发电装置的供电时间。

引信电源；压电发电；压电叠堆；钹式换能器

0　引言

近年来，压电发电技术由于其长储性能好、环境适应能力强、结构简单、易微小型化等优点，在嵌入式MEMS、收集环境能、生物机械能等方面呈现出广阔的应用潜力，在医疗、生物、军事等领域也已开展了相关研究工作[1-4]。随着材料技术的发展尤其是压电材料压电系数的大幅提升，以及微功耗电路在智能弹药和现代引信中的广泛应用，使得压电发电技术在新型弹药上的应用成为可能，现代引信用新型压电发电装置的设计与研制已成为研究热点。

基于压电发电的引信发电装置可分为两大类：一类是将弹丸飞行中的迎面气流能量转换为电能，如文献[5]提出了在气流谐振压电发电机中，以压电薄膜代替磁电发电机，研究结果表明该发电机输出功率较大, 可满足低功耗引信的使用，且结构简单、体积小、成本低、重量轻，不会产生交变磁场；文献[6]提出了一种MEMS压电式射流发电机，以悬臂梁式压电膜片代替普通压电膜片，研究结果表明该发电机可满足低功耗引信使用，且具有结构简单、体积小、输出电压高等特点。这类压电发电装置皆依靠弹丸飞行中的迎面气流驱动，由引信体上的进气和出气孔作为结构保证，故其密封性差，且会影响引信的长储性能和弹药弹道性能。另一类是将弹丸发射时的冲击能直接转换为电能。如：文献[7]针对发射条件下冲击能量的收集和转换，提出了一种基于压电材料叠堆的换能结构，试验结果表明该发电机能够用于小口径高炮的炮口感应电子时间引信。这类发电装置仅将弹药发射时所产生的冲击力直接作用在压电元件上，使其产生一次性形变，产生电能少(6.79 mJ[7])，发电时间极短(几十微秒)。本文针对上述问题设计了基于钹式压电阵列的引信压电发电装置。

1　发电装置的设计与制作

如图1所示，发电装置由外壳、底盖、质量块与上下两个弹簧及压电换能器组成。外壳为圆柱体，其底部有外螺纹可与引信旋接固定；压电换能器采用压电堆叠置于装置的上下两端；质量块外径略小于外壳内径，与两个弹簧共同构成质量-弹簧组件；底盖通过螺旋与外壳相连，封装旋入后压紧弹簧使其有一定预紧力，调节底盖旋入深度可改变预紧力大小；底盖中心留有小孔供导线引出。

图1　发电装置结构示意图Fig.1　Sketch map of generator

工作原理如下：弹药发射时质量块在后坐力冲击作用下向下移动压迫弹簧，将一部分冲击能转化为弹性势能储存于弹簧中，底部压电换能器受压产生变形，因压电效应第一次输出电能，实现了发电装置的快激活。后坐力消失后，质量-弹簧组件进入欠阻尼振动状态，对上下两端压电换能器施加持续的作用力，从而持续输出电压。此外，弹药飞行中产生的振动也能部分转化为弹性势能，进而转换为质量块的振动，并对压电换能器施加作用力以延长发电时间。

加工制作时，外壳和质量块采用铁铸件车削而成，且质量块采用了两种形式，其结构参数如表1所示；弹簧定制而成，其刚度为9×103N/m；端盖材料与外壳相同，高度为5 mm；压电换能器采用PZT-5A压电陶瓷材料，采用压电陶瓷堆叠和钹式两类构型，以便于对比研究，如图2所示。按照压电陶瓷堆叠层数及厚度，两类构型各有3种结构形式，并分别予以编号，如表2所示。最后与不同质量块搭配可形成12种不同组合方式的发电装置。

表1　外壳和质量块结构参数

图2　压电换能器构型Fig.2　Structure of piezoelectric transducer

压电薄片钹式编号层数单层厚度/mm编号层数单层厚度/mm113111222.5221332341.25

2　发电性能的测试与分析

为测试发电性能，搭建了主要由CL-200型冲击试验台和TDS2024C型数字示波器组成的冲击测试试验装置，如图3所示。发电装置置于保护壳内由夹具固定在冲击台面上，台面接一个传感器，用于测量施加在底盖上的冲击加速度。发电装置外接负载，由示波器测量负载两端的电压信号。当冲击台收到控制指令后，台面以液压方式沿两侧立柱升至指定高度，随后自由落体跌落至下面的缓冲垫上，对固定于冲击台面上的发电装置施加向上的半正弦波冲击，冲击波形如图4所示。

图3　发电性能冲击测试试验装置Fig.3　Impact test device of piezoelectric generator

图4　半正弦冲击波形Fig.4　Diagram of impact force

图5—图8为12种不同组合方式的发电装置输出电压随冲击加速度的变化曲线。每种组合在不同冲击下各测试3次，其测试顺序编号按照冲击加速度由小到大的顺序分别在图中连续标出。其中，图7中3号钹式堆叠在进行第3次测试时损坏，最高输出电压未记录，在随后图8所示的测试中未出现。图8中2号钹式堆叠在进行第3次测试时损坏，最高输出电压未记录。表3为不同组合按测试顺序列出的电能输出持续时间。

图5　质量块1与不同薄片压电堆叠组合Fig.5　Combination of mass block 1 and different piezoelectric stack

图6　质量块2与不同薄片压电堆叠组合Fig.6　Combination of mass block 2 and different piezoelectric stac

图7　质量块1与不同钹式压电堆叠组合Fig.7　Combination of mass block 1 and different cymbal piezoelectric stack

图8　质量块2与不同钹式压电堆叠组合Fig.8　Combination of mass block 2 and different cymbal piezoelectric stack

由图5—图8、表3可知：1)冲击加载越大输出电压越高，电能输出持续时间越长，电压与电能输出时间正相关，这是因为，冲击加载越大换能器受到的作用力越大，且弹簧储存的弹性势能越大；2)在相同的冲击加载下，输出电压随压电堆叠层数增加而显著提高，但电能输出时间增加并不显著，这是因为,在相同的作用力下多层压电堆叠发电性能优于单层[8]，但对质量-弹簧组件的振动时间无影响；3)在相同的冲击加载下，钹式压电换能器产生的电压高于压电堆叠式换能器，这是因为，钹式换能器巧妙地利用了金属端帽的特殊形状，将施加于轴向的应力转换并放大成切向的应力，故输出电压相对较高；4)在相同的冲击加载下，质量块质量越大，输出的电压越高，电能输出时间越长，这是因为，质量块越大作用于换能器上的力越大，同时弹簧收集的冲击能越大；5)钹式压电换能器耐冲击能力低于压电陶瓷堆叠式，主要损坏方式有两种：一是金属帽与压电陶瓷的粘结层开裂导致两者分离；二是金属帽被压扁不能将轴向应力转换并放大为切向应力。

表3　电压输出持续时间

3　发电装置改进

3.1发电装置的结构改进

根据上述分析结论，为延长发电时间，同时提高抗冲击能力，对发电装置的结构进行了改进(如图9所示)：

图9　发电装置改进结构Fig.9　Sketch map of generator improved

1)将质量块由圆柱形改为阶梯状，增加质量的同时也提高了发电装置的空间利用率。

2)在原来上、下双弹簧内各加一内弹簧，形成四弹簧结构。外弹簧刚度较大作用于外壳上，内弹簧刚度较小作用于换能器上。在保证质量-弹簧组件能收集到较大冲击能量的前提下，内弹簧振动冲击时间有效延长，作用在换能器上的冲击力不至于过大。

3)换能器构型采用钹式换能器阵列结构。因钹式换能器发电能力强于压电陶瓷块，而且阵列状分布减小了单个陶瓷块所受冲击力，能有效防止因受力过大而损坏。

制作时换能器采用4×4钹式换能器阵列，即共堆积4列，每列4层，单层厚度为1.0 mm；质量块质量为0.115 kg；外弹簧刚度为6.6×104N/m，内弹簧刚度为4×103N/m。

3.2改进装置的性能测试

对改进装置分别进行了135.04g、162.43g、209.05g三次冲击加载测试，其输出电压分别为59.3 V、80.1 V、103.2 V，电能持续时间分别为2.0 s、2.2 s、2.5 s，提升效果比较显著。

图10为第3次冲击测试时电压输出局部波形。其中最高输出电压为103.2 V，电压输出持续时间大于2.499 s。与改进前对比，在相同冲击加载下，其电压略低，持续时间显著延长，但电压值在开始阶段衰减较快。由于内弹簧刚度较小，而整个质量-弹簧系统收集的冲击能较大，导致内弹簧振动时间大大延长，但由于质量块第一次向下到达负位移峰值处时输出电压最高，在恢复零位过程中上部弹簧与质量块分离而未受力，下部压电换能器受力迅速减小，导致电压输出在15～65 ms内衰减极快，随后由于弹簧封装后有预紧力，上下弹簧再未与质量块分离，从而产生欠阻尼振动，电压缓慢减小。

图10　电压输出局部波形图Fig.10　Output voltage partial diagram of test

4　结论

本文设计并制作了基于弹簧-质量块和两种压电换能器的引信发电装置。利用所搭建的测试试验系统对不同结构组合进行了测试分析，总结了冲击加载、换能器结构、换能器层数、质量块等对其发电性能的影响规律，指出了钹式叠堆结构发电性能优于薄片压电叠堆。并据此对钹式压电装置结构进行了优化，提出了基于钹式压电阵列的改进型发电装置结构。改进后的测试结果表明，该发电装置供电时间得到有效延长(大于2.499 s)，验证了其应用于现代智能引信的可行性。但由于测试试验中施加的冲击过载量级较小(×100g)，且并未考虑弹药勤务处理中坠落、振动等意外作用对引信安全性的影响，因此，为实现该装置的工程化应用，下一步可从小型化、提高抗冲击能力及安全性等方面采取措施。

[1]Yi Mihui, Na Wookjung, Hong Wonhwa, et al.. Pedestrian walking characteristics at stairs according to width change for application of piezoelectric energy harvesting [J]. Journal of Central South University of Technology, 2012, 19(3): 764-769.

[2]Kim Chang-IL, Kyoung-Tae. Design and electrical properties of piezoelectric energy harvester for roadway [J]. The Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, 2011, 24(7): 554-558.

[3]HARB A. Energy harvesting: State-of-the-art [J]. Renewable Energy, 2010, 36(10): 2641-2654.

[4]KANG HYUN-IL. A case study of the piezoelectric generator for railroad application [C]//2009 Autumn Conference of the Korean Society for Railway. Daejeon, South Korea: The Korean Society for Railway, 2009: 2876-2881.

[5]雷军命. 引信气流谐振压电发电机[J]. 探测与控制学报, 2009, 31(1): 23-26.

[6]徐伟，王炅，陆静,等. 引信用MEMS悬臂梁式压电射流发电机设计分析[J]. 压电与声光, 2012, 34(2): 257-261.

[7]李映平. 引信压电发电机原理及试验研究[D]. 南京：南京理工大学, 2011.

[8]陈荷娟，孙加存. 高能多层压电陶瓷电源设计[J]. 弹道学报，2003，15(4)：82-86.

Fuze Piezoelectric Generator Based on Cymbal Array Structure

CHEN Yongchao1, GAO Min1, YU Weibo1, ZHANG Kai2

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050001, China;2. Unit 92337 of PLA, Dalian 116000, China)

Aiming at the shortages that the power supply time of fuze piezoelectric mechanism is too short, a new fuze generator based on spring-mass structure was proposed and designed, which was of different stacks of slice piezoelectric and cymbal structure. Testing results showed the different influence rule of shock level, mass, layer number and structure to electric parameters of these generators，and mechanic-electric transfer characteristic based on cymbal stack was prior to that of slice stack. Based on these conclusions. The structure based on cymbal array was brought out, and test results showed that the power supply time could last for 2.499 s.

fuze power; piezoelectric energy generation; piezoelectric stack; cymbal transducer

2015-12-22

陈永超(1989—)，男，河南平顶山人，硕士研究生，研究方向：引信系统分析与设计。E-mail:794752631@qq.com。

TJ434

A

1008-1194(2016)04-0062-04