摘要：該文介紹了壓電發(fā)電獲取振動能的現(xiàn)狀，近年來，人們對綠色能源的需求越來越大，利用壓電發(fā)電獲取環(huán)境中振動能成為研究焦點。闡述了壓電發(fā)電基本原理，壓電發(fā)電是利用了壓電材料的正壓電效應。設計測試系統(tǒng)實地測試了路基振動波形并探討了在實驗室中復現(xiàn)所測振動波形的方法。

關鍵詞：壓電發(fā)電；振動能量；振動測試

中圖分類號：TP207 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，隨著經濟全球化、人口的不斷增長以及科技的飛速發(fā)展，能源在整個人類社會生活中所占據(jù)的地位越來越重要。能源的發(fā)展以及環(huán)境保護也成為全人類關心的焦點問題之一，也是我國社會經濟發(fā)展的重要問題[1]。同時，隨著環(huán)保意識的增強，排放標準要求越來越嚴格，使得人們對電力的需求日趨增強。隨著新型高效壓電材料的快速發(fā)展，利用環(huán)境中的機械振動來發(fā)電的研究與利用變得愈加的熱門。

環(huán)境中到處存在著可利用的機械微能源，如列車經過時路基的振動，隧道中車輛駛過時引起的風能和噪聲能源。這些能量均可以利用壓電材料的壓電特性將其轉換為電能。

本文主要內容包括：壓電發(fā)電原理的主要介紹；可用于壓電發(fā)電的振動的測試實驗；實測振動譜復現(xiàn)方法的研究。

1 壓電發(fā)電基本原理

1.1 壓電效應

某些晶體在受到機械力作用而發(fā)生拉伸或壓縮時，晶體相對的兩個表面會出現(xiàn)數(shù)量相等的異號電荷，這也就是壓電現(xiàn)象。具有壓電效應的介質叫做壓電體。通過進一步的研究科學家發(fā)現(xiàn)，壓電體分別有兩種壓電效應：正壓電效應、逆壓電效應。

在無電場條件下，只有晶體的應變或應力，由于“壓”而產生“電”的效應叫做正壓電效應，如圖1所示。

壓電材料由電場產生應變或應力的現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮效應，如圖2所示。

1.2 壓電方程組

壓電方程是全面描述機電耦合與變換中應變[S]、應力[T]、電位移[D]、電場強度[E]這四個變量之間的線性關系的數(shù)學表達式，它集中表達了正、逆壓電效應變量間的數(shù)量關系。壓電材料在[T]和[E]作用下，產生電位移[D]與應變[S]的方程為：

[S=sET+dtE] （1）

[D=dT+εTE] （2）

式（1）（2）中，[εT]為應力恒定時的自由介電常數(shù)矩陣，[D]是電位移，[E]是電場強度，[d]是壓電常數(shù)矩陣，[dt]是逆壓電常數(shù)矩陣，[S]和[T]分別是應變和應力， [sE]為電場恒定時的短路彈性柔順系數(shù)矩陣。

2 振動測試

為了更好的了解環(huán)境中存在的振動能源的特性，筆者去實地進行了振動測試。

測試系統(tǒng)包括傳感器、A/D采樣器和上位機。其中用了加速度傳感器和速度傳感器分別如圖3和圖4所示。

本課題進行了實地測試。測試地點為11號線昌吉東路地鐵站附近，圖5為列車經過時路基的振動時域圖。

將時域波形進行FFT變換后得到路基振動譜的頻域波形，如圖6所示。

由圖6可以看出峰值頻率主要集中在35-85Hz，其中75Hz點較大。因此，我們在設計壓電振子時，應該盡量使其一階諧振頻率在35HZ～85HZ之間，最好是在75HZ，這樣壓電振子在隧道環(huán)境中會有更多的可能在諧振頻率下工作，從而提高從機械能到電能的能量轉化效率。

3 振動譜復現(xiàn)方法探討

在實際設計壓電振子時，我們只關心隧道中路基振動頻譜的能量主要集中在那個頻率附近，從而為我們設計壓電振子提供必要的參數(shù)?？紤]到壓電發(fā)電裝置的設計需要多次反復實驗，加之列車每次經過時隧道路譜具有重復性質，因此可以嘗試設計一套可以復現(xiàn)路基振動頻譜的模擬實驗平臺，在此平臺上完成壓電發(fā)電裝置設計和初步實驗，這是非常有意義的。

為此我們設計了一套模擬振動路譜的實驗系統(tǒng)如圖7所示。

由于隧道中振動的時域信號可能在每次測量、在不同路段測量時不盡相同，但理論上頻域的波形則會非常接近，更能反應系統(tǒng)振動的特征信息，因此在通常路譜模擬實驗中都以路譜頻域信號作為控制對象。如圖7所示就是將列車經過時振動的時域波經過FFT變換[2]后作為控制目標，通過功放驅動振動臺，并激勵壓電發(fā)電裝置進行工作，為了保證振動臺輸出的譜線與實測的譜線吻合，系統(tǒng)要建立閉環(huán)的控制。

4 總結

本文主要介紹了一種可以測試環(huán)境中振動波形的測試系統(tǒng)，改系統(tǒng)由傳感器、A/D采集系統(tǒng)和一臺上位機組成。進行了實地的振動測試，由測得的時域波形和頻域波形得知，列車經過路基的振動頻率主要集中在35HZ～85HZ，最集中的頻率點為75HZ，這為設計壓電振子提供的依據(jù)，因為壓電振子工作在諧振頻率時發(fā)電能力最強[3]。最后文章探討了一種在實驗中復現(xiàn)室外環(huán)境中所測得波形的方法，設計一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 張存娥.壓電材料的風能轉換裝置理論研究與創(chuàng)新設計[D].西安：西安理工大學，2009.

[2] 張正甫，潘嘉強.基于硬件DSP的FFT變換[J].日用電器，2012（7）.

[3] 謝濤，袁江波，單小彪，等.多懸臂梁壓電振子頻率分析及發(fā)電實驗研究[J].西安交通大學學報，2010，44（2）.