一种基于压电片串并联方式的压电俘能装置功率优化方法

1.本发明属于压电取能领域，具体涉及一种基于压电片串并联方式的压电俘能装置功率优化方法。


背景技术：

2.自然环境中无处不在的机械振动能会产生微瓦级到毫瓦级的电能，足以满足微功耗的无线传感网络的供电需求。当前振动能量回收的方法主要有静电式、电磁式、压电式三种。静电式是利用静电感应原理将机械能转换为电能，电磁式是利用电磁感应原理将机械能转换为电能，压电式是利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能。其中，压电式振动能量回收方式的能量密度最高，而且压电能量回收系统结构简单，易于集成和实现微型化，可以广泛应用于生活和生产实践中，这相比电磁式和静电式具有较大的优势。
3.压电俘能装置一般采用传统悬臂梁结构，利用压电效应产生电能，对压电晶体施加外力时，正负电荷不再对称分布，在晶体表面会产生异号极化电荷，发生正压电效应。将压电晶片粘贴在悬臂梁的上表面，当外界发生机械振动时，横梁上下摆动，并且带动附在其上的压电片弯曲形变，从而将外界环境中的机械振动能转化为电能。压电晶片的厚度、长度和宽度与双晶压电片发电性能挂钩，悬臂梁的长宽能够影响双晶压电片的共振频率。
4.因此，通过压电片将环境中振动能转换为电能实现微功耗传感器自供电切实可行，改善当前无线传感器节点等微机电设备的供电问题。与单晶压电片相比，双晶压电片能获得更高的输出电压，通过串并联这种组合方式，能够有效提升压电片的带载能力和带载功率，从而能最大效率提升将机械能转换电能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于压电片串并联方式的压电俘能装置功率优化方法，该方法有利于获得压电俘能装置的最优功率组合方式。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于压电片串并联方式的压电俘能装置功率优化方法，包括以下步骤：步骤1：将双晶压电片固定在夹具上，确定双晶压电片的连接方式，利用试验装置进行后续测量；步骤2：测量每片双晶压电片的开路电压，进而获得其共振频率，按照共振频率相近原则对双晶压电片进行分组，每组采用不同的串并联方式对该组中的双晶压电片进行组合；步骤3：测量不同串并联组合方式下各个双晶压电片组合的开路电压，并进行带载实验，测量负载电压并计算负载功率；步骤4：对比不同串并联组合方式下得到的各个双晶压电片组合的负载电压与负载功率，确定最优的串并联组合方式，即为压电俘能装置的最优功率组合方式。
7.进一步地，步骤1中，双晶压电片为通过高温固态处理合成sm掺杂的pmn-pt压电陶
瓷；以激振源振动的中心频率为目标频率，以目标频率为双晶压电片的共振频率来设计双晶压电片的厚度、长度、宽度，以俘获目标频率下的最大功率。
8.进一步地，步骤1中，所述夹具为绝缘夹具，以防止双晶压电片在串并联时处于同一电位。
9.进一步地，步骤1中，确定双晶压电片的连接方式为双晶压电片电极串联。
10.进一步地，步骤1中，所述试验装置包括信号发生器、功率放大器、激振器、示波器、负载电阻箱，从信号发生器输入一个频率和振幅可调的正弦信号，经过功率放大器放大信号，再将放大的信号提供给激振器，作用在激振器上的振动激励信号驱动双晶压电片组合振动；双晶压电片组合基于压电效应将机械振动能转换为电能，将输出电能连接至负载电阻箱，通过示波器观测双晶压电片组合的开路电压，并对负载电阻输出的电压和功率进行记录。
11.进一步地，步骤2中，每个双晶压电片分组具有n片双晶压电片，满足n=a*b，其中b表示并联组数，a表示每组中双晶压电片串联片数，即将每a个共振频率相近的双晶压电片串联，然后再并联在一起形成一个分组。
12.进一步地，按照共振频率相近原则对双晶压电片进行分组的具体方法为：共振频率相近的分为一组进行串联，串联后的压电组进行并联。
13.进一步地，双晶压电片进行串并联组合能够提高输出功率、拓宽频域的条件为双晶压电片共振频率差在设定范围内。
14.进一步地，步骤4中，最优的串并联组合方式为每组中串联双晶压电片的输出电压在满足后端电路激活电压的前提下，尽可能增加双晶压电片并联组数。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法通过对比双晶压电片不同串并联组合方式得到的负载开路电压及负载功率，为压电俘能装置最优功率组合方式提供指导，获得压电俘能装置的最优功率组合方式。
附图说明
16.图1是本发明实施例中试验装置的原理框图。
17.图2是本发明实施例中双晶压电片不同连接方式的示意图；其中，(a)为双晶压电片电极串联，(b)为双晶压电片电极并联。
18.图3是本发明实施例中不同连接方式下开路电压对比情况。
19.图4是本发明实施例中不同组合方式下得到的负载电压与负载功率对比情况；其中，(a)为负载电压对比情况，(b)为负载功率对比情况。
具体实施方式
20.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
21.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.本实施例提供了一种基于压电片串并联方式的压电俘能装置功率优化方法，包括以下步骤：步骤1：将双晶压电片固定在夹具上，确定双晶压电片的连接方式，利用试验装置进行后续测量。
24.在本实施例中，双晶压电片为通过高温固态处理合成sm掺杂的pmn-pt压电陶瓷，具有高达1500 pcn-1
的超高压电系数d
33
和高于13000的介电常数ε
33
/ε0。
25.以激振源振动的中心频率为目标频率，以目标频率为双晶压电片的共振频率来设计双晶压电片的厚度、长度、宽度，以俘获目标频率下的最大功率。改变压电片基板与压电晶片的长宽厚度，它的共振频率也会随之改变。根据激振源振动的中心频率去设计压电片的共振频率才能获得最大的功率。因为压电片在共振频率下才能输出最高电压。以目标频率为压电片共振频率来设计压电片的长宽厚度（在制作压电片时进行仿真可以大概确定压电片的共振频率），再进行扫频试验最终确定其共振频率。在本实施例中，压电晶体厚度、长度、宽度分别选择2mm、10mm、10mm。共振频率是压电片的固有特性，在压电片长宽厚度确定之后是不会改变的，与双晶压电片的电极连接方式无关。
26.在本实施例中，所述夹具为绝缘夹具，以防止双晶压电片在串并联时处于同一电位。
27.在本实施例中，确定双晶压电片的连接方式为双晶压电片电极串联。双晶压电片电极串、并联连接方式如图2所示。如图3所示，与双晶压电片电极并联相比，电极串联能输出更高的电压。双晶压电片因为有两片压电晶片粘结于压电基板上下两端，所以存在三个电极（压电晶片、压电晶片、基板）。双晶压电片电极并联存在电压抵消的情况，输出电压极低（十几mv），所以用双晶压电片电极串联的方式能输出最高电压。
28.在本实施例中，所述试验装置包括信号发生器、功率放大器、激振器、示波器、负载电阻箱。从信号发生器输入一个频率和振幅可调的正弦信号，经过功率放大器放大信号，再将放大的信号提供给激振器，作用在激振器上的振动激励信号驱动双晶压电片组合振动；双晶压电片组合（即压电阵列）基于压电效应将机械振动能转换为电能，将输出电能连接至负载电阻箱，通过示波器观测双晶压电片组合的开路电压，并对负载电阻输出的电压和功率进行记录。
29.步骤2：采用双晶压电片串联的方式测量每片双晶压电片的开路电压，进而获得其共振频率（通过扫频试验记录每片双晶压电片的开路电压，开路电压最高点对应的频率即为双晶压电片的共振频率），按照共振频率相近原则对双晶压电片进行分组，每组采用不同的串并联方式对该组中的双晶压电片进行组合。
30.其中，每个双晶压电片分组具有n片双晶压电片，满足n=a*b，其中b表示并联组数，a表示每组中双晶压电片串联片数，即将每a个共振频率相近的双晶压电片串联，得到b个并联组，然后b个并联组再并联在一起形成一个分组。
31.双晶压电片电极串联比双晶压电片电级并联相比能输出更高的电压，单片双晶压电片在负载电阻，俘获功率达到最大：
其中，为压电电压常数，e
p
为压电晶片杨氏模量，h为悬臂梁厚度，l为悬臂梁长度，δ为由外力产生的激励位移。
32.按照共振频率相近原则对双晶压电片进行分组的具体方法为：频率相近的进行串联，反之进行并联。
33.在基板材料一致，尺寸（长宽厚度）一致的情况下，压电片的共振频率不会相差太大，在这种情况下对压电片进行组合时，每组中串联压电片数量保持一样。如果出现压电片共振频率相差较大的情况，按频率相近原则，共振频率相近的压电片分为一组进行串联，组与组再之间进行并联。
34.步骤3：测量不同串并联组合方式下各个双晶压电片组合的开路电压，并进行带载实验，测量负载电压并计算负载功率。
35.装置后端接一个接口电路，接口电路有一个激活电压，接口电路的作用是将双晶压电片组合输出的交流电转换为直流电，再进行斩波、滤波后供后端负载使用。测量开路电压是为了看其是否满足接口电路的激活电压。如果不满足，增加每组中串联的双晶压电片个数；反之，尽可能增加并联的双晶压电片组数。
36.步骤4：对比不同串并联组合方式下得到的各个双晶压电片组合的负载电压与负载功率，确定最优的串并联组合方式，即为压电俘能装置的最优功率组合方式。
37.最优的串并联组合方式为每组中串联双晶压电片的输出电压在满足后端电路激活电压的前提下，尽可能增加双晶压电片并联组数。
38.压电俘能装置利用压电材料的压电效应产生电能，当对着压电晶体施加外力作用时，机械力引起压电晶体的弯曲形变，内部发生极化现象，并在晶体的两个表面产生极性相反的电荷，机械能就转换成了电能。
39.在本实施例中，共分为3组。每组共有12片双晶压电片，按照共振频率相近进行分组，不同串并联组合方式包括：1）12片双晶压电片串联；2）6片双晶压电片串联为一组，共2组，将每组双晶压电片并联；3）3片双晶压电片串联为一组，共4组，将每组双晶压电片并联。
40.其中，串联组能起到拓宽频域、提高输出电压的作用；并联组能提升输出电流，进一步提高双晶压电片输出功率。
41.双晶压电片进行串并联组合能够提高输出功率、拓宽频域的条件为双晶压电片共振频率差在一定范围内，对比双晶压电片不同组合方式得到的负载开路电压及负载功率，得到压电俘能装置最优功率组合方式。
42.对比双晶压电片不同组合方式得到的负载开路电压及负载功率，得到压电取能装置最优功率组合方式为4组双晶压电片并联，每组中串联压电片片数为3，具体负载开路电压及负载功率如图4所示。
43.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等
效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。