1、<p>　　壓電/發(fā)電一體化溫度傳感器</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來(lái)利用壓電材料進(jìn)行能量收集的研究越來(lái)越受到人們關(guān)注，究其原因主要在于：首先，壓電材料是一種節(jié)能型環(huán)保材料，是依靠外界振動(dòng)使其發(fā)生變形而發(fā)電的；其次，利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，可小型化。但利用壓電發(fā)電裝置發(fā)電存在每次動(dòng)作時(shí)發(fā)

2、電量有限的不足，從而制約了其在實(shí)際中的應(yīng)用。從國(guó)外對(duì)壓電材料的研究中發(fā)現(xiàn)，影響其發(fā)電能力的因素有很多，如何綜合優(yōu)化這些影響因素，進(jìn)而提高壓電發(fā)電裝置每次動(dòng)作時(shí)的發(fā)電量是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。</p><p>　　壓電發(fā)電的基礎(chǔ)研究工作主要是從壓電陶瓷材料的特性以及影響其發(fā)電能力因素等方面展開(kāi)的，這些理論研究解決了壓電陶瓷材料在實(shí)際應(yīng)用中的理論問(wèn)題，也為壓電陶瓷材料在更廣闊的范圍應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。壓電發(fā)電的研究在

3、日本及歐美等國(guó)家開(kāi)始比較早，而國(guó)內(nèi)對(duì)壓電發(fā)電的研究尚處于起步階段。</p><p>　　本文著重研究壓電發(fā)電溫度傳感器，在壓電振子的分析中介紹了壓電效應(yīng)和壓電材料。通過(guò)對(duì)壓電振子的分析，采用了懸臂式支撐結(jié)構(gòu)和沖擊式激勵(lì)方式組成了壓電發(fā)電裝置。通過(guò)對(duì)壓電振子實(shí)驗(yàn)分析，研究對(duì)壓電振子輸出功率的影響的各種因素。并且用L44組成的整流橋和D475濾波電路組成控制電路來(lái)收集壓電發(fā)電裝置發(fā)出的電，并把電應(yīng)用在溫度傳感器上，溫

4、度傳感器采用PN節(jié)溫度傳感器。</p><p>　　關(guān)鍵詞　壓電振子；壓電發(fā)電裝置；溫度傳感器</p><p>　　Micro-Piezoelectric / Generator Integrated Temperature Sensor </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In

5、recent years the use of piezoelectric materials for the study of energy harvesting is receiving increasing attention, the main reason is: First of all, the piezoelectric material is a kind of energy-saving environmentall

6、y friendly materials, is to rely on outsiders to deformation and vibration generation; followed by the use of piezoelectric materials piezoelectric power generation device structure is simple, low cost, easy to implement

7、, may be smaller. But the use of piezoelectric power gene</p><p>　　Piezoelectric generation of basic research work is mainly from the characteristics of piezoelectric ceramic materials, as well as the impact

8、 of factors such as power-generating capacity of its aspects, these theoretical studies to solve the piezoelectric ceramic material in the practical application of theoretical issues, as well as piezoelectric ceramic mat

9、erials in a broader scope of application to lay a solid foundation. Study of piezoelectric power generation in Japan and Europe and the Unit</p><p>　　This article focuses on generating piezoelectric temperat

10、ure sensor, in an analysis of piezoelectric vibrator of the piezoelectric effect is described and the piezoelectric material. Piezoelectric vibrator through experimental analysis, research on the piezoelectric oscillator

11、 output power of the impact of various factors. And with the composition of the L44 and D475 rectifier filter circuit composed of piezoelectric control circuit to collect the electricity generating device and electrical

12、app</p><p>　　Keywords Piezoelectric vibrator; Piezoelectric power generation device; Temperature sensor</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p&g

13、t;<b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 壓電發(fā)電的概況及應(yīng)用2</p><p>　　1.2.1 壓電發(fā)電的概

14、況2</p><p>　　1.2.2 國(guó)外壓電發(fā)電的應(yīng)用3</p><p>　　1.3 論文研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　第2章 壓電發(fā)電技術(shù)7</p><p>　　2.1 壓電振子分析7</p><p>　　2.1.1 壓電材料與壓電效應(yīng)7</p><p>　　2.1.2 壓電振

15、子9</p><p>　　2.1.3 壓電振子支撐及激勵(lì)方式11</p><p>　　2.2 壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.3 電源控制電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　2.4 本章小結(jié)17</p><p>　　第3章 壓電振子實(shí)驗(yàn)分析18</p><p>　　3

16、.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備18</p><p>　　3.1.1 矩形壓電振子實(shí)驗(yàn)分析18</p><p>　　3.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)矩形壓電振子輸出功率的影響18</p><p>　　3.1.3 壓電振子厚度對(duì)功率輸出特性的影響18</p><p>　　3.1.4 厚度比值對(duì)功率輸出的影響19</p><p>　　3.1

17、.5 壓電振子長(zhǎng)度對(duì)功率輸出的影響20</p><p>　　3.1.6 壓電晶片寬度對(duì)功率輸出特性的影響21</p><p>　　3.1.7 振幅對(duì)壓電振子輸出功率的影響21</p><p>　　3.2 本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 壓電發(fā)電裝置在溫度傳感器中的應(yīng)用23</p><p>　　4.1

18、 溫度傳感器的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1.1 溫度傳感器的概況及應(yīng)用23</p><p>　　4.1.2 溫度傳感器的種類(lèi)與測(cè)溫范圍25</p><p>　　4.1.3 PN結(jié)溫度傳感器26</p><p>　　4.2 壓電發(fā)電一體化溫度傳感器的設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.3 本章小結(jié)30&

19、lt;/p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　附錄A35</b></p><p><b>

20、　　附錄B41</b></p><p>　　千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><

21、;p>　　近年來(lái)，新能源發(fā)電技術(shù)被利用率越來(lái)越高，其污染小，發(fā)電源多的特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域起了很重要的作用。以下列舉幾種新能源發(fā)電技術(shù)：</p><p>　　1．太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù) </p><p>　　太陽(yáng)是地球永恒的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空發(fā)射約3.8×1020MW能量，其中有22億分之一投射到地球上。巨大的太陽(yáng)能是地球上萬(wàn)物生長(zhǎng)之源，充分利用太陽(yáng)能具有持續(xù)供能和環(huán)保

22、雙重偉大的意義。在"8?14"美、加大停電以及美國(guó)"9?11"事件后，提醒人們不能過(guò)分依賴(lài)常規(guī)能源集中供電這種方式，利用太陽(yáng)能的分布式能源系統(tǒng)受到重視。"到處陽(yáng)光到處電"是倡導(dǎo)利用綠色能源的主題。 </p><p>　　太陽(yáng)能發(fā)電的方式主要有通過(guò)太陽(yáng)能熱發(fā)電的塔式發(fā)電、拋物面聚光發(fā)電、太陽(yáng)能煙囪發(fā)電、熱離子發(fā)電、熱光伏發(fā)電、溫差發(fā)電等和不通過(guò)熱過(guò)程發(fā)電的

23、光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電及光生物發(fā)電等兩種。太陽(yáng)能熱發(fā)電基本工作原理是利用太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能收集起來(lái)，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)熱動(dòng)力裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。</p><p><b>　　2．風(fēng)力發(fā)電技術(shù) </b></p><p>　　風(fēng)是由于空氣的流動(dòng)而產(chǎn)生的，風(fēng)具有一定的質(zhì)量和速度，因而它具備產(chǎn)生能量的基本要素。由于風(fēng)能是隨機(jī)性的，

24、風(fēng)力的大小時(shí)刻變，必須根據(jù)風(fēng)力大小及電能需要量的變化及時(shí)通過(guò)控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)速、電壓、頻率)、停機(jī)、故障保護(hù)(超速、振動(dòng)、過(guò)負(fù)荷等)以及對(duì)電能用戶(hù)所接負(fù)荷的接通、調(diào)整及斷開(kāi)等操作。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)械、電氣及其控制設(shè)備的組合。</p><p>　　3．生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù) </p><p>　　生物質(zhì)能來(lái)源于生物質(zhì)。所謂生物質(zhì)，就是所有來(lái)源于植物、動(dòng)

25、物和微生物的除礦物燃料外的可再生的物質(zhì)。利用生物質(zhì)本身的能量，將其轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的能量形式，如燃?xì)?、燃油、酒精等，再按照通用的發(fā)電技術(shù)發(fā)電，然后直接提供給用戶(hù)或并入電網(wǎng)提供給用戶(hù)。 </p><p><b>　　4．地?zé)岚l(fā)電技術(shù) </b></p><p>　　所謂地?zé)崮?，?jiǎn)單的說(shuō)，就是來(lái)自地下的熱能，即地球內(nèi)部的熱能。 地?zé)岚l(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動(dòng)力源的一種新

26、型發(fā)電技術(shù)，地?zé)岚l(fā)電和火力發(fā)電的基本原理是一樣的，都是將蒸汽的熱能經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。、</p><p>　　5．潮汐能發(fā)電技術(shù) </p><p>　　潮汐能是海洋能的一種。地球上廣大連續(xù)的水體叫做海洋，海洋的面積約為3.62億km2，占地球表面積的70.9％。海洋是個(gè)龐大的能源寶庫(kù)，它既是吸能器，又是貯能器，蘊(yùn)藏著巨大的動(dòng)力資源。海水中蘊(yùn)藏著的這一巨大的動(dòng)力資源的

27、總稱(chēng)就叫做海洋能。潮汐能是海洋能的一種，潮汐能是指海水漲潮和落潮形成的水的動(dòng)能和勢(shì)能。潮汐發(fā)電，就是利用海水漲落及其所造成的水位差來(lái)推動(dòng)水輪機(jī)，再由水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。 </p><p>　　6．燃料電池發(fā)電技術(shù) </p><p>　　燃料電池不同于平時(shí)所說(shuō)的干電池與蓄電池。平時(shí)所說(shuō)的干電池與蓄電池沒(méi)有反應(yīng)物質(zhì)的輸入與生成物的排出，所以其壽命有一定限度；而燃料電池可以連續(xù)地對(duì)其供給反應(yīng)

28、物(燃料)及不斷排出生成物(水等)，因而可以連續(xù)的輸出電力。 </p><p>　　燃料電池發(fā)電也不同于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其燃料不經(jīng)過(guò)燃燒，沒(méi)有復(fù)雜的從燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程，而是直接將燃料(天然氣、煤氣、石油等)中的氫氣借助于電解質(zhì)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在生成水的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，因此其實(shí)質(zhì)是化學(xué)能發(fā)電。</p><p>　　近年來(lái)利用壓電材料進(jìn)行能量

29、收集的研究越來(lái)越受到人們關(guān)注，其節(jié)能環(huán)保的特性也備受人們的青睞。利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　壓電陶瓷是一種常用的、具有壓電效應(yīng)的多晶體壓電材料，由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似（原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié)）而得名。1880年J·居里和P·居里兄弟發(fā)壓電陶瓷具有壓電性，即某些各向異性的晶體，在機(jī)械力作用下，產(chǎn)生形變，使帶電粒子

30、發(fā)生相對(duì)位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷[1、2]。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為壓電陶瓷在實(shí)際中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，于是許多研究人員加入了對(duì)壓電陶瓷性能及應(yīng)用的研究中。</p><p>　　壓電發(fā)電的概況及應(yīng)用</p><p><b>　　壓電發(fā)電的概況</b></p><p>　　壓電發(fā)電的基礎(chǔ)研究工作主要是從壓電陶瓷材料的特性以及影響其發(fā)電能力因素等

31、方面展開(kāi)的，這些理論研究解決了壓電陶瓷材料在實(shí)際應(yīng)用中的理論問(wèn)題，也為壓電陶瓷材料在更廣闊的范圍應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。壓電發(fā)電的研究在日本及歐美等國(guó)家開(kāi)始比較早，而國(guó)內(nèi)對(duì)壓電發(fā)電的研究尚處于起步階段。以下是對(duì)國(guó)外壓電發(fā)電理論研究的介紹：</p><p>　　日本科學(xué)家梅田干雄等（1996，1997）用一個(gè)自由落體的球去撞擊表面+粘有壓電陶瓷的金屬薄板（壓電振子），并設(shè)計(jì)了一個(gè)等效的機(jī)電轉(zhuǎn)化電路模型，計(jì)算了該模型能夠

32、產(chǎn)生電荷的數(shù)量，對(duì)利用整流橋和電容搭建的存儲(chǔ)電路進(jìn)行了轉(zhuǎn)化效率方面的研究，計(jì)算得出這種存儲(chǔ)方法的最大轉(zhuǎn)換效率為35%，是太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的3倍多，同時(shí)分析得出：提高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)和降低介電損失可以進(jìn)一步提高壓電發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化效率。但是該研究人員還指出，在實(shí)際應(yīng)用中，壓電發(fā)電裝置很難達(dá)到理想狀態(tài)的35%轉(zhuǎn)化效率，目前所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率在25%-30%之間。[3]他們的工作實(shí)證了利用壓電發(fā)電裝置發(fā)電的高效性。</p>

33、<p>　　美國(guó)Vanderbilt大學(xué)教授Goldfarb和Jones分析了用多層壓電振子疊加這種結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)電時(shí)壓電材料轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題，研究結(jié)論得出壓電發(fā)電裝置工作在諧振區(qū)時(shí)轉(zhuǎn)化效率較高，同時(shí)還得出轉(zhuǎn)化效率和外界激勵(lì)力的振幅、外接負(fù)載與內(nèi)阻匹配程度有關(guān)。</p><p>　　韓國(guó)科學(xué)家Ji-Yoon Kang和Hyung-Jun Kim提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)壓電發(fā)電裝置方法，可以最大限度的提高微型壓電發(fā)電

34、裝置的發(fā)電能力。所設(shè)計(jì)的微型發(fā)電裝置的核心器件是懸臂支撐的矩形壓電振子，依靠對(duì)其施加周期的均勻載荷使其發(fā)生形變而產(chǎn)生電荷。研究是在一定約束條件下進(jìn)行的：</p><p>　　1．在許用應(yīng)力范圍內(nèi)；</p><p>　　2．壓電振子工作在諧振區(qū)；</p><p>　　3．壓電振子的寬度一定；</p><p>　　4．壓電陶瓷晶片固定在懸臂梁的根

35、部。</p><p>　　結(jié)論得出：壓電陶瓷晶片與金屬基板的厚度比為0.525，長(zhǎng)度比為0.6的壓電振子是最適合制作壓電發(fā)電裝置的。而且從理論分析還得出當(dāng)加大施加載荷時(shí)可以有效提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。</p><p>　　美國(guó)科學(xué)家Elvin（2001）認(rèn)為隨著電子產(chǎn)品功耗的不斷降低，利用能量收集裝置將環(huán)境中的能量收集起來(lái)用來(lái)充當(dāng)無(wú)線發(fā)射器的電源將成為可能。他所設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置是由一個(gè)貼

36、有壓電陶瓷的梁構(gòu)成，利用整流橋和電容收集壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電荷。無(wú)線發(fā)射器由電容收集的能量來(lái)供電，這個(gè)電容允許充電到1.1V,然后放電到0.8 V停止，充放電過(guò)程大約需要1秒鐘。由此證明，利用壓電發(fā)電為無(wú)線發(fā)射器供電是可行的。</p><p><b>　　國(guó)外壓電發(fā)電的應(yīng)用</b></p><p>　　1．利用壓電材料進(jìn)行鞋中能量收集</p><p

37、>　　美國(guó)麻省理工大學(xué)教授Kymissis(1999)利用兩種不同的壓電材料去收集環(huán)境中損失的能量，特別是收集人行走時(shí)克服重力所損失的能量。當(dāng)人行走時(shí)，腳擊地的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速度，這時(shí)沖擊力作用在鞋墊上使其受壓，當(dāng)人腳抬起時(shí)，鞋墊恢復(fù)了原狀，但鞋墊的恢復(fù)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有其所受的壓力大，在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)有能量損耗。研究人員分別利用兩種壓電材料收集了這部分損耗能量，第一種材料是PVDF(一種高分子壓電復(fù)合材料)來(lái)收集鞋前底彎曲變形時(shí)所損失

38、的能量，第二種材料是用PZT來(lái)收集鞋跟底部損失的能量，如圖1-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PZT的功率輸出能力要強(qiáng)于PVDF，PZT更適合用來(lái)制作壓電發(fā)電裝置[4－6]。</p><p>　　2．壓電發(fā)電型電池充電器</p><p>　　維基尼亞科學(xué)家HENRY A.SODANO等在比較利用電容存儲(chǔ)電能不足的前提下，第一次證明了利用壓電材料制作的發(fā)電系統(tǒng)給電池充電的可行性。并且得出壓電振子在諧振工作條

39、件下給一個(gè)40mAh電池充電時(shí)間不到1小時(shí)，利用隨機(jī)頻率充電需要1個(gè)半小時(shí)的結(jié)果[7]。他們的研究結(jié)果使利用壓電材料進(jìn)行能量收集的方法更加趨于實(shí)用化，同時(shí)也擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍。如圖1-2所示。</p><p><b>　　圖1-1 壓電發(fā)電</b></p><p><b>　　圖1-2 充電電路</b></p><p>&

40、lt;b>　　3．壓電袖珍風(fēng)車(chē)</b></p><p>　　德克薩斯州大學(xué)的電子工程師沙克·普里亞為解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電子“節(jié)點(diǎn)”供電問(wèn)題發(fā)明了一種壓電袖珍風(fēng)車(chē)，這種袖珍風(fēng)車(chē)周長(zhǎng)大約為10厘米，附在一個(gè)旋轉(zhuǎn)凸輪上，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)可使一系列壓電晶體不斷伸縮。壓電材料當(dāng)被擠壓或伸展時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電能。普里亞發(fā)現(xiàn)時(shí)速為16公里的微風(fēng)便可以產(chǎn)生7.5毫瓦的持續(xù)電能，足以保證一個(gè)電子傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)。與利用風(fēng)力

41、渦輪機(jī)為電網(wǎng)供電的常規(guī)發(fā)電機(jī)相比，這種壓電發(fā)電機(jī)(袖珍風(fēng)車(chē))的發(fā)電效率要更高一些。使用10厘米渦輪的常規(guī)發(fā)電機(jī)僅能將可利用風(fēng)能的1%直接轉(zhuǎn)化為電能。但一個(gè)壓電發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率則能達(dá)到18%。這相當(dāng)于最好的大型風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)化效率[8]。如圖1-3所示。</p><p>　　4．無(wú)源安全帶檢測(cè)裝置</p><p>　　阿爾卑斯電氣公司開(kāi)發(fā)了一種無(wú)源安全帶檢測(cè)裝置，解決車(chē)內(nèi)布線難的問(wèn)題。此裝置是通過(guò)

42、將壓電元件和無(wú)線電路嵌入到安全帶帶扣中，利用解下安全帶時(shí)的動(dòng)作，對(duì)壓電元件施加壓力使其發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)線電路，就能向司機(jī)通報(bào)安全帶使用情況。無(wú)線電路使用遙控車(chē)門(mén)系統(tǒng)所用的頻帶315MHz或433MHz[9]。如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-3壓電袖珍風(fēng)車(chē)</p><p>　　圖1-4 無(wú)源安全帶檢測(cè)裝置</p><p><b>　　5．壓電發(fā)光扇&

43、lt;/b></p><p>　　壓電發(fā)光扇，它包括扇把、扇面，其特征在于扇把是一中空的桿體，其中設(shè)有下端與扇把固定連接、上端相對(duì)扇把兩側(cè)可自由擺動(dòng)的印刷電路板，印刷電路板的兩側(cè)面上分別縱向貼置壓電陶瓷片；扇面通過(guò)燈罩固設(shè)在印刷電路板的上端；印刷電路板的上端焊接數(shù)只發(fā)光二極管。人們?cè)谑褂蒙茸拥臅r(shí)候，通過(guò)壓電陶瓷受到反復(fù)擺動(dòng)變形而產(chǎn)生的電能使發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生閃爍效果，使傳統(tǒng)扇子變得新奇、美觀大方，不需要使

44、用電池，節(jié)能、環(huán)保、工作壽命長(zhǎng)是這種扇子的最大優(yōu)點(diǎn)[10]。如圖1-5所示。</p><p>　　6．高速公路隧道中的視線導(dǎo)航標(biāo)識(shí)</p><p>　　該標(biāo)識(shí)是直徑約為13.5cm，外圍有扇葉。其內(nèi)部裝有壓電轉(zhuǎn)換元件、鋼球和6個(gè)LED（發(fā)光二極管）。將其安裝在交通量大的公路隧道內(nèi)，利用汽車(chē)駛過(guò)時(shí)所形成的風(fēng)力來(lái)帶動(dòng)標(biāo)識(shí)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鋼球反復(fù)撞擊壓電轉(zhuǎn)換元件發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管發(fā)光，以警示過(guò)往的車(chē)

45、輛[11]。如圖1-6所示。</p><p>　　圖1-5 壓電發(fā)光扇</p><p>　　圖1-6 導(dǎo)航標(biāo)識(shí)及原理圖</p><p><b>　　論文研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文著重研究壓電發(fā)電溫度傳感器，在壓電振子的分析中介紹了壓電效應(yīng)和壓電材料。通過(guò)對(duì)壓電振子的分析，采用了懸臂式支撐結(jié)構(gòu)和沖擊式激勵(lì)方

46、式組成了壓電發(fā)電裝置。通過(guò)對(duì)壓電振子實(shí)驗(yàn)分析，研究對(duì)壓電振子輸出功率的影響的各種因素。并且用L44組成的整流橋和D475濾波電路組成控制電路來(lái)收集壓電發(fā)電裝置發(fā)出的電，并把電應(yīng)用在溫度傳感器上，溫度傳感器采用PN節(jié)溫度傳感器。</p><p><b>　　壓電發(fā)電技術(shù)</b></p><p><b>　　壓電振子分析</b></p>

47、<p>　　壓電振子在壓電發(fā)電裝置中承擔(dān)著將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的作用，因此壓電振子的發(fā)電能力將決定壓電發(fā)電裝置的電能輸出能力，對(duì)壓電發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際就是對(duì)壓電振子的優(yōu)化設(shè)計(jì)。響壓電振子發(fā)電能力的因素有很多，如激振頻率、支撐方式、壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)等，本節(jié)從理論上全面對(duì)壓電振子進(jìn)行了分析，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各因素對(duì)壓電振子發(fā)電能力的影響。</p><p><b>　　壓電材料與壓電效應(yīng)</

48、b></p><p>　　在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體和壓電陶瓷。 </p><p>　　壓電材料的主要特性參數(shù)有： </p><p>　　1．壓電常數(shù): 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏

49、度。 </p><p>　　2．彈性常數(shù): 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 </p><p>　　3．介電常數(shù): 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 </p><p>　　4．機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平

50、方根，這是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 </p><p>　　5．電阻: 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 </p><p>　　6．居里點(diǎn)溫度: 它是指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。</p><p>　　表2-1 常用壓電材料性能參數(shù)</p><p>　　目前已知的壓電材料有幾十種，早

51、期發(fā)現(xiàn)的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料，以后發(fā)現(xiàn)了羅息鹽等類(lèi)鐵電體以及一些生物體也具有壓電性，不過(guò)這些早期的壓電材料很難滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的要求，限制了壓電技術(shù)的發(fā)展。鈦酸鋇（BaTiO3）[12]陶瓷的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了壓電材料的發(fā)展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多晶體材料，而且在壓電性能上也有了大幅度提高。當(dāng)今廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷是PZT，即Pb(Zr,Ti)O3壓電陶瓷，其壓電效應(yīng)強(qiáng)，穩(wěn)定性好。[13、14]它是由美

52、國(guó)學(xué)者B.賈菲等人于1954年發(fā)現(xiàn)的PbZrO3-PbTiO3二元系固溶體壓電陶瓷，其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)約為鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷的兩倍。此外，若在PZT的組成中加入Pb(Mg-Nb)O3后將形成三元系壓電陶瓷，這類(lèi)壓電陶瓷的性能更加優(yōu)越，可適于多種不同的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　壓電效應(yīng)：壓電陶瓷屬于鐵電體一類(lèi)的物質(zhì)，是人工制造的多晶體壓電材料，它具有類(lèi)似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是子自發(fā)形成的區(qū)域，

53、它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符

54、號(hào)相反而數(shù)量相等，它起屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用，所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖2-1所示。如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖2-2（a）所示。</p><p>　　陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。</p><p>　　圖2-1 陶瓷

55、片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附自由電荷示意圖</p><p><b>　　圖2-2 壓電效應(yīng)</b></p><p>　　當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過(guò)程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)，是由法國(guó)的兩位科學(xué)家P.居里和J.居

56、里兄弟1880年在研究石英晶體的物理性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)正壓電效應(yīng)的第二年，也就是1881年，由李普曼在理論上預(yù)言，由居里兄弟在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了另一種物理現(xiàn)象：若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖2-2(b)所示，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮

57、短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。</p><p><b>　　壓電振子</b></p><p>　　圖2-3是壓電振子的基本結(jié)構(gòu)原理圖。由于壓電陶瓷本身硬且脆，所產(chǎn)生的位移很小，因而一般不把壓電陶瓷本身作為壓電振子直接使用，通常是把壓電陶瓷與某種彈性體連接在一起共同構(gòu)成振動(dòng)體，將這種振動(dòng)體稱(chēng)為復(fù)合壓電振子，一般常用的

58、壓電振子分為矩形和圓片形兩種。本文在分析及實(shí)驗(yàn)中采用的壓電陶瓷材料均是PZT-5，彈性體采用磷青銅。利用壓電振子可以做成各種壓電發(fā)電元件，如壓電打火器、壓電引爆器、壓電變壓器以及超聲波探測(cè)器等等。這些壓電器件一部分是工作在諧振態(tài)，也就是工作在某一頻率點(diǎn)，使器件處于諧振狀態(tài)。另一部分是工作在自由受迫振動(dòng)狀態(tài)，使壓電振子工作在非共振區(qū)，利用其靜態(tài)或動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行工作。無(wú)論是工作在諧振狀態(tài)還是工作在自由受迫振動(dòng)狀態(tài)，都要對(duì)壓電振子的諧振特性加以

59、研究，從而根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用不同的工作方式，充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。</p><p>　　圖2-3 壓電振子基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　1．壓電振子的振動(dòng)模式</p><p>　　壓電振子是壓電發(fā)電裝置的核心部件，起著將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的作用。某一幾何尺寸的振子在特定條件（按所需方向極化、激勵(lì)和設(shè)置電極等）下，其用以完成機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的振動(dòng)方式多種多樣，通常把

60、這種振動(dòng)方式稱(chēng)為振動(dòng)模態(tài)。此外，各種振動(dòng)模態(tài)之間還存在著相互影響或耦合作用。因此在設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)，除了選擇合適的陶瓷材料外，還要選擇合適的振子及其振動(dòng)模態(tài)[15-18]。通常將激發(fā)壓電陶瓷的振動(dòng)分成以下四類(lèi)，如圖2-4所示(a)垂直于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)（長(zhǎng)度方向），用LE模表示；(b)平行于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)（厚度方向），用TE模表示；(c)垂直于電場(chǎng)平面內(nèi)的剪切振動(dòng)（表面），用FS模表示；(d)平行于電場(chǎng)平面內(nèi)的剪切振動(dòng)（厚度），用T

61、S模表示。當(dāng)這些振動(dòng)模式作用到壓電振子上時(shí)，將能產(chǎn)生彎曲振動(dòng)、伸縮振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。但對(duì)于壓電發(fā)電選擇合適的振動(dòng)方式是非常關(guān)鍵的，通常情況下選取彎曲振動(dòng)方式，因?yàn)閺澢駝?dòng)下壓電振子可產(chǎn)生最大的撓度，有利于壓電發(fā)電。</p><p>　　圖2-4 壓電陶瓷振動(dòng)分類(lèi)</p><p>　　2．壓電振子等效電路</p><p>　　對(duì)如圖2-5所示的懸臂支撐壓電振子系統(tǒng)可以描

62、述成如圖2-6所示的包括電和機(jī)械兩部分組成的等效電路。[19]在這個(gè)機(jī)電耦合電路里面，力和電壓是廣義的輸入和輸出變量，而速率和電流是廣義的中間變量。如圖2-5所示。的混合梁是依靠外界輸入力來(lái)使其振動(dòng)，它可以看作是一個(gè)具有阻尼、有效質(zhì)量和剛度的彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。機(jī)械阻尼被看作是一個(gè)電阻，由于壓電效應(yīng)，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，這個(gè)過(guò)程存在一個(gè)轉(zhuǎn)化效率Φ如圖2-6所示。壓電材料本身可以看作由一個(gè)電容和內(nèi)阻組成的封閉系統(tǒng)。</p>

63、<p>　　圖2-5壓電振子懸臂梁結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-6壓電振子的等效電路</p><p>　　壓電振子支撐及激勵(lì)方式</p><p><b>　　壓電振子的支撐方式</b></p><p>　　壓電振子的支撐方式（或邊界條件）和結(jié)構(gòu)尺寸是影響壓電振子發(fā)電能力的另一重要因素。壓電振子支撐方式（或邊界

64、條件）不同，其工作方式及能量輸出特點(diǎn)將有較大差異。通常，壓電振子有四種不同的邊界條件，懸臂支撐、周邊固定支撐、自由邊界支撐、簡(jiǎn)支支撐。這四種壓電振子的支撐方式（或邊界條件），如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 壓電振子支撐方式</p><p>　　圖(a)懸臂支撐：這種方式可產(chǎn)生最大的撓度，同時(shí)具有較低的諧振頻率。矩形壓電發(fā)電元件多采用此方式。</p><p

65、>　　圖(b)周邊固定支撐：對(duì)于壓電陶瓷晶片自身，其周邊固定的機(jī)電耦合系數(shù)極低，不適合用于壓電發(fā)電[20]。</p><p>　　圖(c)自由邊界支撐：該方式結(jié)構(gòu)安裝不方便，實(shí)際上也很少采用。</p><p>　　圖(d)簡(jiǎn)支支撐：該方式壓電彎曲元件支撐在振動(dòng)的波節(jié)上（即波節(jié)支撐），支撐的結(jié)構(gòu)輕便、結(jié)實(shí)，而且裝置的損耗也降到最低程度。圓片形壓電振子常采用簡(jiǎn)支支撐方式。</p&g

66、t;<p><b>　　壓電振子的激勵(lì)方式</b></p><p>　　使壓電振子發(fā)電的激勵(lì)方式分為慣性自由振動(dòng)式、沖擊自由振動(dòng)式、強(qiáng)制振動(dòng)式三種，因?yàn)榧?lì)方式對(duì)壓電振子的發(fā)電性能影響很大，因此需要結(jié)合實(shí)際情況選擇不同的激勵(lì)方式。</p><p><b>　　1．慣性自由振動(dòng)式</b></p><p>　　慣

67、性自由振動(dòng)式，是在懸臂梁壓電振子的自由端附有集中質(zhì)量塊，二者構(gòu)成彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如圖2-8所示。當(dāng)在懸臂梁末端施加沖擊（或敲擊）時(shí)，壓電振子自由振動(dòng)。該發(fā)電方式發(fā)電能力較弱，但具有較長(zhǎng)的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，可以用來(lái)吸收環(huán)境振動(dòng)能量，不需要人的參與便可實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，提供持續(xù)的電能，可與微電子器件集成一體，充當(dāng)其電源。其電壓輸出特性曲線如圖2-9所示。在揚(yáng)聲器、公路隧道視線導(dǎo)航標(biāo)識(shí)等方面都已有應(yīng)用。</p><p>　　圖

68、2-8 慣性自由振動(dòng)</p><p>　　圖2-9 慣性自由振動(dòng)輸出電壓</p><p><b>　　2．沖擊自由振動(dòng)式</b></p><p>　　沖擊自由振動(dòng)式，是利用自由振動(dòng)金屬球（或有一定勢(shì)能的沖擊頭）撞擊壓電振子，使之產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，如圖2-10所示。該發(fā)電方式能產(chǎn)生瞬間的高壓、大電流，其發(fā)電量可以點(diǎn)亮數(shù)十個(gè)mW級(jí)的發(fā)光二極管。其電壓輸

69、出特性曲線如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-10 沖擊自由振動(dòng)式</p><p>　　圖2-11 沖擊自由振動(dòng)輸出</p><p><b>　　3．強(qiáng)制振動(dòng)式</b></p><p>　　強(qiáng)制振動(dòng)式，是通過(guò)施加振幅（如利用帶有突起圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)或通過(guò)按鈕直接按壓）迫使壓電振子產(chǎn)生交替的彎曲變形來(lái)獲得能量，如圖2-

70、12所示。</p><p>　　圖2-12 強(qiáng)制振動(dòng)</p><p>　　圖2-13 強(qiáng)制振動(dòng)輸出電壓</p><p>　　此發(fā)電方式可單獨(dú)使用或與電器集成一體，便于及時(shí)為電器提供或補(bǔ)充電能，對(duì)于長(zhǎng)期野外作業(yè)或邊遠(yuǎn)地區(qū)尤其適用。其關(guān)鍵因素是作用力的大小及作用時(shí)間，其產(chǎn)生的電能與施加振幅的強(qiáng)度同步。當(dāng)施加振幅的強(qiáng)度較弱時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度微弱；反之發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，其電

71、壓輸出特性曲線如圖2-13所示。壓電發(fā)光扇、壓電發(fā)光顯示裝置等用到的都是這一方式。</p><p>　　由于利用壓電材料發(fā)電的特殊性，因此在選擇壓電振子支撐方式和激勵(lì)方式時(shí)就要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況來(lái)決定，一般圓片形壓電振子多采用簡(jiǎn)支撐和按壓激勵(lì)方式；而矩形壓電振子多采用懸臂支撐和沖擊激勵(lì)方式。</p><p>　　多片壓電振子聯(lián)接方式</p><p>　　為增強(qiáng)發(fā)電裝

72、置的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子并聯(lián)或者串聯(lián)的方式。</p><p>　　兩壓電振子并聯(lián)，中間基板為負(fù)極，PZT為正極。假定單片壓電振子輸出電壓為U，電量為q，雙片輸出電壓為U，電量為q′，則它們所對(duì)應(yīng)的關(guān)系如式（2－1）[21、22]：</p><p>　　q′=2q U′=U （2—1）</p><p>　　兩

73、壓電振子串聯(lián)，正電荷集中在上極板上側(cè)，負(fù)電荷集中在下極板下側(cè)，而上基板下側(cè)產(chǎn)生的負(fù)電荷與下基板上側(cè)產(chǎn)生的正電荷相互抵消。假定輸出總電荷為q′，單片振子輸出電荷為q，雙片輸出電壓為U′，單片輸出電壓為U，則它們存在如下關(guān)系如式（2—2）：</p><p>　　q′=q; U′=2U （2—2）</p><p>　　由上述分析可知，壓電振子并聯(lián)時(shí)

74、輸出電荷多，而串聯(lián)時(shí)輸出電壓高。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于壓電振子在材料和制作上不可能完全相同，因此壓電振子并聯(lián)時(shí)的輸出電量要小于理論分析值。</p><p>　　壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置由支撐結(jié)構(gòu)、矩形壓電振子、撞擊裝置三部分組成。支撐結(jié)構(gòu)和矩形壓電振子構(gòu)成了壓電復(fù)合懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)。在壓電復(fù)合懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)中，影響其發(fā)電能力的主要因素是壓電振子的固

75、定位置以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此在壓電振子物理和結(jié)構(gòu)參數(shù)選定的情況下，如何設(shè)計(jì)壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)提高其發(fā)電能力是要解決的一個(gè)比較關(guān)鍵問(wèn)題。</p><p>　　以往的研究表明[23、25]，壓電振子在沖擊作用下能夠產(chǎn)生瞬間高壓、同時(shí)由于作用時(shí)間短，所以輸出電流也較高，這種激勵(lì)方式能夠有效提高壓電振子的發(fā)電能力。因此，如何利用沖擊方式來(lái)使壓電振子變形發(fā)電成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想。據(jù)此設(shè)計(jì)的壓電復(fù)合懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)原理如圖2-

76、14所示。</p><p>　　圖2-14 壓電發(fā)電裝置簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試該裝置在每次動(dòng)作時(shí)所輸出的電壓（外接100 KΩ）如圖2-15所示。</p><p>　　圖2-15 壓電發(fā)電裝置的開(kāi)路電壓</p><p>　　從圖中可以看出所設(shè)計(jì)的壓電裝置最大輸出電壓高達(dá)100V，而且電壓峰較密集。根據(jù)轉(zhuǎn)換效率公式（2—3）。

77、計(jì)算出的懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率為η=0.341。</p><p><b>　　（2—3）</b></p><p>　　這里：V是電阻、R兩端輸出電壓、F是作用在力、d是端部位移、t是不同點(diǎn)值間的時(shí)間增量、n是數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、m是測(cè)量次數(shù)通過(guò)以上的設(shè)計(jì)和分析，設(shè)計(jì)的壓電發(fā)電裝置如圖2-16和2-17，其工作原理就是通過(guò)撞擊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電振子產(chǎn)生彎曲變形而發(fā)電。&

78、lt;/p><p>　　圖2-16 懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置原理圖</p><p>　　圖2-17 沖擊式發(fā)電裝置實(shí)物圖</p><p>　　壓電發(fā)電裝置可用在鐵軌下或嵌入人流量較大的地鐵入口的地板中來(lái)獲取電能，以此方法可代替實(shí)驗(yàn)室中用手動(dòng)發(fā)電，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。</p><p><b>　　電源控制電路設(shè)計(jì)</b><

79、;/p><p>　　由于壓電發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能具有短暫性，不經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)是無(wú)法直接為溫度傳感器裝置供電的。因此需要設(shè)計(jì)控制電路以解決發(fā)電裝置的能量實(shí)際利用問(wèn)題，如圖2-18所示為電源控制電路的原理圖。為使功耗降到最低，所有器件均采用貼片式。理論上壓電發(fā)電裝置每次激勵(lì)所產(chǎn)生的電能通過(guò)L44組成的整流橋和D475濾波電路之后，在7130-1穩(wěn)壓芯片的輸出端產(chǎn)生3V的供電電壓。</p><p><

80、;b>　　圖2-18供電電路</b></p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先闡述了壓電材料、壓電效應(yīng)、壓電振子及其支撐和激勵(lì)方式、多片壓電振子聯(lián)接方式。</p><p>　　通過(guò)本章的論述和分析可以發(fā)現(xiàn)影響壓電振子發(fā)電能力的因素有很多，尋找這些因素的影響規(guī)律是壓電發(fā)電裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此

81、在下一章中對(duì)壓電振子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。</p><p><b>　　壓電振子實(shí)驗(yàn)分析</b></p><p>　　為深入研究壓電振子的發(fā)電性能，本節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)影響矩形和圓片形壓電振子發(fā)電能力的因素進(jìn)行了分析；同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了壓電振子串并聯(lián)情況下的電壓輸出特性；總結(jié)了矩形和圓片形壓電振子的能量輸出特點(diǎn)。</p><p>　　根據(jù)以往的研究，影響矩形壓

82、電振子發(fā)電能力的主要因素有：結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括長(zhǎng)度、寬度、厚度、壓電晶片與基板的厚度比）、外界激勵(lì)力、振幅、工作頻率和阻抗匹配；影響圓片形壓電振子發(fā)電能力的主要因素有：支撐方式、壓電晶片與基板直徑比（直徑比）、壓電晶片與基板的厚度比（厚度比）、外界激勵(lì)、工作頻率和阻抗匹配等[26]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了這些因素對(duì)它們功率輸出的影響規(guī)律，并分析了其中的原因，為壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。</p><p><

83、b>　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試設(shè)備有：數(shù)字示波器、激振器、位移傳感器、HEAS-5功率放大器。測(cè)試的具體過(guò)程為：通過(guò)功率放大器控制激振器產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)作用在壓電振子上，位移傳感器用來(lái)檢測(cè)壓電振子的振幅，利用數(shù)字示波器來(lái)檢測(cè)壓電振子在不同條件下所產(chǎn)生的電信號(hào)。</p><p>　　矩形壓電振子實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　

84、　由于矩形壓電振子在懸臂支撐方式下可產(chǎn)生最大的撓度，同時(shí)具有較低的諧振頻率，因此本實(shí)驗(yàn)選用懸臂支撐方式。實(shí)驗(yàn)選用的矩形壓電振子金屬基板寬度與壓電晶片的寬度相同，壓電振子沿著壓電陶瓷的邊緣進(jìn)行裝卡，這樣可以有效增加壓電振子根部受力，從而提高壓電振子的能量輸出能力。</p><p>　　結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)矩形壓電振子輸出功率的影響</p><p>　　對(duì)于懸臂支撐的矩形壓電振子，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是壓電振

85、子的厚度、長(zhǎng)度、寬度以及厚度比值。實(shí)驗(yàn)條件：壓電振子自由端部位移相同；外接100KΩ電阻負(fù)載。</p><p>　　壓電振子厚度對(duì)功率輸出特性的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中選取壓電振子的陶瓷晶片長(zhǎng)度為60mm，寬度為30mm，厚度分別為0.3mm、0.4mm、0.5mm，基板的長(zhǎng)度為80mm，厚度分別為0.3mm、0.4mm、0.5mm 。實(shí)驗(yàn)是在不同頻率條件下使壓電振子端部產(chǎn)生5mm

86、的位移，測(cè)試壓電</p><p>　　振子輸出功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 厚度對(duì)功率輸出的影響</p><p>　　從圖可以看出，在頻率不同和位移相同的情況下，壓電振子輸出功率并不是隨著厚度和頻率的增加而呈線性增大的，而是在厚度為0.8mm時(shí)功率取得最大值，隨著頻率的增加輸出功率也變大。頻率20Hz時(shí)，厚度0.8mm壓電振子輸出功率

87、約為3.8×103W，厚度0.4mm壓電振子輸出功率約為1.2×10-3W。頻率10Hz時(shí)，厚度0.8mm壓電振子輸出功率約為2.8×10-3W，厚度0.4mm壓電振子輸出功率約為0.8×10-3W。從這組數(shù)據(jù)中可以看出，厚度對(duì)壓電振子功率輸出的影響大于頻率對(duì)壓電振子功率輸出的影響，這可能主要是因?yàn)閴弘娬褡記](méi)有工作在諧振區(qū)，因此頻率對(duì)功率的輸出就會(huì)減弱。從理論分析可知，頻率對(duì)壓電振子的發(fā)電能力影響

88、很大，因此如何改變壓電振子的結(jié)構(gòu)尺寸使其固有頻率降低而工作在諧振區(qū)是設(shè)計(jì)壓電發(fā)電裝置時(shí)需要注意的一個(gè)問(wèn)題。在理論分析中，壓電振子輸出電壓(功率)與厚度成正比例關(guān)系，而在實(shí)驗(yàn)中所得結(jié)論與理論不相符合，這可能是因?yàn)槔碚摲治鍪窃诩僭O(shè)壓電振子工作在諧振狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)是在不同頻率下進(jìn)行的，因此所測(cè)結(jié)果與理論分析的有所不同。</p><p>　　厚度比值對(duì)功率輸出的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中選取壓

89、電振子的陶瓷晶片長(zhǎng)度為60mm，寬度為30mm，基板的長(zhǎng)度為80mm，壓電振子的厚度為0.8mm，厚度比α分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1。在不同頻率條件下使壓電振子端部產(chǎn)生5mm的位移，測(cè)試其功率輸出值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 厚度比對(duì)功率輸出的影響</p><p>　　從圖中可以看出在不同頻率下，對(duì)于厚度0.8mm的壓電振子，當(dāng)厚度比α為0.6時(shí)

90、，壓電振子輸出功率最大，其最大值約為4.8×10-3W，比圖3-3中壓電振子輸出最大功率3.8×10-3W高出26%。由此可見(jiàn)厚度比對(duì)壓電振子功率輸出的影響很大。而且在20Hz頻率以下，壓電振子的輸出功率也是隨著頻率的增加而增大。</p><p>　　壓電振子長(zhǎng)度對(duì)功率輸出的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中選取基板長(zhǎng)80mm，壓電振子寬為30mm、厚0.8mm、厚度比為

91、0.6。在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，將晶片的長(zhǎng)度作為變量，分別取15mm，20mm，25mm，30mm，35mm，40mm，45mm，對(duì)壓電振子端部施加5mm的位移，測(cè)量其功率輸出值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 晶片長(zhǎng)度-電壓輸出特性曲線</p><p>　　從圖3-3可以看出，在壓電振子端部施加相同的位移，輸出功率隨壓電晶片長(zhǎng)度的增加而減小，這與理論分析中壓電

92、振子輸出功率與長(zhǎng)度成反比的結(jié)論完全吻合。形成這種現(xiàn)象的原因是：實(shí)驗(yàn)是在壓電振子端部位移相同的情況下進(jìn)行的，因此隨著長(zhǎng)度的增加壓電振子根部所受應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致壓電振子的發(fā)電能力降低。</p><p>　　壓電晶片寬度對(duì)功率輸出特性的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中選取基板長(zhǎng)度為80mm、晶片長(zhǎng)度為60mm、壓電振子厚度為0.8mm，厚度比為0.6，在其它性能參數(shù)不變的情況下，將晶片的寬度作

93、為變量，分別取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm。對(duì)壓電振子端部施加5mm的位移，測(cè)量其功率輸出值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-4所示。</p><p>　　圖 3-4 晶片寬度-電壓輸出特性曲線</p><p>　　從圖中可以看出，對(duì)于寬度不同的壓電振子，當(dāng)在其端部施加相同位移時(shí)，壓電振子輸出功率是隨著寬度的增加而逐漸增大，輸出功率近似的與寬度呈線性關(guān)系。但造成不是完全呈線性

94、關(guān)系的原因可能是不同寬度的壓電振子其固有頻率不同，由于功率輸出大小與壓振子是否工作在諧振區(qū)有直接的關(guān)系，因此隨著寬度的增加壓電振子的固有頻率在降低，在相同激振頻率、寬度不同的情況下，工作在諧振區(qū)的壓電振子輸出功率略大于工作在非諧振區(qū)的壓電振子，另一個(gè)原因可能是實(shí)驗(yàn)誤差。</p><p>　　振幅對(duì)壓電振子輸出功率的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中選取壓電振子的陶瓷晶片長(zhǎng)度為60mm，寬度為

95、30mm，基板的長(zhǎng)度為80mm，壓電振子的厚度為0.6mm，0.8mm、1mm，厚度比為0.6，使壓電振子端部產(chǎn)生不同的位移，測(cè)試不同厚度的壓電振子在不同振幅下外接200KΩ電阻負(fù)載時(shí)壓電振子輸出功率的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 振幅對(duì)壓電振子輸出功率的影響</p><p>　　從圖中可以看出，在壓電振子允許的變形量范圍之內(nèi)，隨著壓電振子振幅的增大，壓電振

96、子根部的應(yīng)變也變大，從而使壓電振子輸出功率增大。從圖中還可以看出，厚度0.8mm的壓電振子輸出功率最大，從而也驗(yàn)證了厚度對(duì)壓電振子功率輸出影響的實(shí)驗(yàn)是正確的。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，總結(jié)了結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括長(zhǎng)度、寬度、厚度、直徑、厚度比、直徑比）振幅等因素對(duì)壓電振子發(fā)電能力的影響規(guī)律并分析了形成規(guī)律的原因。&l

97、t;/p><p>　　從做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，矩形壓電振子在瞬間沖擊激勵(lì)作用下的發(fā)電效果最好。但是在不同支撐方式下，這兩種壓電振子適合的激勵(lì)方式是不同的。比如在懸臂支撐條件下，沖擊力就可以作用在壓電振子的自由端；但是在簡(jiǎn)支支撐條件下，沖擊力如果直接作用在壓電振子上，就會(huì)使壓電陶瓷產(chǎn)生破壞，因此就要采取增大沖擊接觸面積或者按壓沖擊的方式來(lái)降低外界沖擊力對(duì)陶瓷的破壞。因此在壓電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)中，要根據(jù)所選

98、壓電振子的形狀來(lái)設(shè)計(jì)支撐和激勵(lì)方式。</p><p>　　壓電發(fā)電裝置在溫度傳感器中的應(yīng)用</p><p><b>　　溫度傳感器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　溫度傳感器的概況及應(yīng)用</p><p>　　溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過(guò)程無(wú)不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)，應(yīng)用最廣的一類(lèi)傳感器。根據(jù)美

99、國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過(guò)了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開(kāi)始，人們開(kāi)始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開(kāi)發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感

100、器和微波傳感器。</p><p>　　兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對(duì)這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測(cè)量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測(cè)量這個(gè)電位差，再測(cè)出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱(chēng)之為“熱電偶”。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，

101、它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí)，輸出電位差的變化量。對(duì)于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5～40微伏／℃之間。</p><p>　　熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無(wú)關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電

102、偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過(guò)程。</p><p>　　溫度傳感器是五花八門(mén)的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無(wú)數(shù)的便利和功能。溫度傳感器有四種主要類(lèi)型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類(lèi)型。接觸式溫

103、度傳感器的檢測(cè)部分與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸，又稱(chēng)溫度計(jì)。 </p><p>　　溫度計(jì)通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測(cè)對(duì)象的溫度。一般測(cè)量精度較高。在一定的測(cè)溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對(duì)象則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門(mén)

104、。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國(guó)防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門(mén)的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測(cè)量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測(cè)量1.6～300

105、K范圍內(nèi)的溫度。</p><p>　　非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸，又稱(chēng)非接觸式測(cè)溫儀表。這種儀表可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。最常用的非接觸式測(cè)溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱(chēng)為輻射測(cè)溫儀表。輻射測(cè)溫法包括亮度法（見(jiàn)光學(xué)高溫計(jì)）、輻射法（見(jiàn)輻射高溫計(jì)）和比色法（見(jiàn)比色溫度計(jì)）。各類(lèi)輻射測(cè)溫方法只能測(cè)出對(duì)應(yīng)的光度溫度、輻射

106、溫度或比色溫度。只有對(duì)黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測(cè)溫度才是真實(shí)溫度。如欲測(cè)定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長(zhǎng)，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測(cè)量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測(cè)溫法來(lái)測(cè)量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測(cè)量是相當(dāng)困難的。對(duì)于固體

107、表面溫度自動(dòng)測(cè)量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測(cè)表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測(cè)表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過(guò)儀表對(duì)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終</p><p>　　非接觸測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測(cè)溫度原則上沒(méi)有限制。對(duì)于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測(cè)溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測(cè)溫逐漸由可見(jiàn)光向紅外線擴(kuò)展，700℃以下直至常溫都

108、已采用，且分辨率很高。</p><p>　　溫度傳感器的種類(lèi)與測(cè)溫范圍</p><p>　　表4-1 測(cè)溫傳感器的種類(lèi)與測(cè)溫范圍</p><p>　　溫度傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式分為兩大類(lèi)：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測(cè)介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進(jìn)行充分的熱交換而達(dá)到同一溫度。這一類(lèi)傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無(wú)需