本科毕业论文___压电发电一体化温度传感器(编辑修改稿)

本科毕业论文___压电发电一体化温度传感器(编辑修改稿)内容摘要：

来收集压电发电装置发出的电，并把电应用在温度传感器上，温度传感器采用 PN节温度传感器。 xx 大学学士学位论文 7 第 2章 压电发电技术 压电振子分析 压电振子 在压电发电装置中承担着将机械能转换为电能的作用，因此压电振子的发电能力将决定压电发电装置的电能输出能力，对压电发电装置的优化设计实际就是对压电振子的优化设计。 响压电振子发电能力的因素有很多，如激振频率、支撑方式、压电振子的结构参数等，本节从理论上全面对压电振子进行了分析，从而准确评价各因素对压电振子发电能力的影响。 压电材料与压电效应 在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。 随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电 陶瓷。 压电材料的主要特性参数有： 1． 压电常数 : 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 2． 弹性常数 : 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 3． 介电常数 : 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 4． 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机 — 电能量转换效率的一个重要 参数。 5． 电阻 : 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 6． 居里点温度 : 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 表 21 常用压电材料性能参数 压电材料 性能参数 石英 钛酸钡 锆钛酸铅 PZT － ４ 锆钛酸铅 PZT － 5 锆钛酸铅 PZT － 8 压电系数 /（ pC/N） 11d = 14d = 31d =78 33d =190 15d =260 15d  410 31d =100 33d =230 15d  670 31d =185 33d =600 15d =330 31d =90 33d =200 相对介电常数 1200 1050 2100 1000 居里点温度 573 115 310 260 300 xx 大学学士学位论文 8 密度 弹性模量 80 110 117 123 机械品质因数 5610 10 500 80 800 最大安全应力 95 100 81 76 76 83 体积电阻率 〉 1210 1010 (25 )C 〉 1010 1110 (25 )C 最高允许温度 550 80 250 250 最高允许湿度 100 100 100 100 目前已知的压电材料有几十种，早期发现的压电材料主要是石英和电气石等一些单晶材料，以后发现了罗息盐等类铁电体以及一些生物体也具有压电性，不过这些早期的压电材料很难满 足工业应用的要求，限制了压电技术的发展。 钛酸钡（ BaTiO3） [12]陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高。 当今广泛应用的压电陶瓷是 PZT，即 Pb(Zr,Ti)O3 压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。 [1 14]它是由美国学者 1954 年发现的PbZrO3PbTiO3 二元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（ BaTiO3）陶瓷的两倍。 此外，若在 PZT 的组成中加入 Pb(MgNb)O3 后将形成三元系压电 陶瓷，这类压电陶瓷的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。 压电效应：压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。 在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。 但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。 这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一 端出现负束缚电荷。 由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。 这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起屏蔽和抵消陶瓷片内 极化强度对外界的作用，所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图 21 所示。 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 F，如图 22（ a） 所示。 陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。 因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。 xx 大学学士学位论文 9 图 21 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附自 由电荷示意图 图 22 压电效应 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状 (这是一个膨胀过程 )，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应，是由法国的两位科学家 1880 年在研究石英晶体的物理性质时发现的。 发现正压电效应的第二年，也就是 1881 年，由李普曼在理论上预言，由居里兄弟在实验上证实了另一种物理现象：若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图 22(b)所示 ，由 于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。 这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。 同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。 这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。 压电振子 图 23 是压电振子的基本结构原理图。 由于压电陶瓷本身硬且脆，所产生的位移很小，因而一般不把压电陶瓷本身作为压电振子直接使用，通常是把压电陶瓷与某种弹性体连接在一起共同构成振动体，将这种振动体称为 复合压电振子，一般常用的压电振子分为矩形和圆片形两种。 本文在分析及实验中采用的压电陶瓷材料均是 PZT5，弹性体采用磷青铜。 利用压电振子可以做成各种压电发电元件，如压电打火器、压电引爆器、压电变压器以及超声波探测器等等。 这些压电器件一部分是工作在谐振态，也就是工作在某一频率点，使器件自由电荷 束缚电荷 电极 电极 xx 大学学士学位论文 10 处于谐振状态。 另一部分是工作在自由受迫振动状态，使压电振子工作在非共振区，利用其静态或动态变形进行工作。 无论是工作在谐振状态还是工作在自由受迫振动状态，都要对压电振子的谐振特性加以研究，从而根据不同的应用场合采用不同的工作方式， 充分发挥各自特点。 图 23 压电振子基本结构 1． 压电振子的振动模式 压电振子是压电发电装置的核心部件，起着将机械能转换为电能的作用。 某一几何尺寸的振子在特定条件（按所需方向极化、激励和设置电极等）下，其用以完成机械能和电能相互转换的振动方式多种多样，通常把这种振动方式称为振动模态。 此外，各种振动模态之间还存在着相互影响或耦合作用。 因此在设计压电振 子时，除了选择合适的陶瓷材料外，还要选择合适的振子及其振动模态 [1518]。 通常将激发压电陶瓷的振动分成以下四类，如图 24 所示 (a)垂直于电场方向的伸缩振动（长度方向），用 LE 模表示； (b)平行于电场方向的伸缩振动（厚度方向），用 TE 模表示； (c)垂直于电场平面内的剪切振动（表面），用FS 模表示； (d)平行于电场平面内的剪切振动（厚度），用 TS 模表示。 当这些振动模式作用到压电振子上时，将能产生弯曲振动、伸缩振动和扭转振动。 但对于压电发电选择合适的振动方式是非常关键的，通常情况下选取弯曲振动方式，因为弯曲振动下压电振子可产生最大的挠度，有利于压电发电。 图 24 压电陶瓷振动分类 压电陶瓷片 弹性金属片 单侧型 压电陶瓷片 弹性金属片 压电陶瓷片 双侧型 xx 大学学士学位论文 11 2． 压电振子等效电路 对如图 25 所示的悬臂支撑压电振子系 统可以描述成如图 26 所示的包括电和机械两部分组成的等效电路。 [19]在这个机电耦合电路里面，力和电压是广义的输入和输出变量，而速率和电流是广义的中间变量。 如图 25 所示。 的混合梁是依靠外界输入力来使其振动，它可以看作是一个具有阻尼、有效质量和刚度的弹簧质量阻尼系统。 机械阻尼被看作是一个电阻，由于压电效应，部分机械能转变成电能，这个过程存在一个转化效率Φ如图 26 所示。 压电材料本身可以看作由一个电容和内阻组成的封闭系统。 图 25压电振子悬臂梁结构 图 26 压电振子的等效电路 压电振子支撑及激励方式 压电振子的支撑方式 压电振子的支撑方式（或边界条件）和结构尺寸是影响压电振子发电能力的另一重要因素。 压电振子支撑方式（或边界条件）不同，其工作方式及能量输出特点将有较大差异。 通常，压电振子有四种不同的边界条件， 悬臂支撑、周边固定支撑、自由边界支撑、简支支撑。 这四种压电振子的支撑方式（或边界条件）， 如图 27 所示。 xx 大学学士学位论文 12 图 27 压电振子支撑方式 图 (a)悬臂支撑：这种方式可产生最大的挠度，同时具有较低的谐振频率。 矩形压电发电元件多采用此方式。 图 (b)周边固定支撑：对于压电陶瓷晶片自身，其周边固定的机电耦合系数极低，不适合用于压电发电 [20]。 图 (c)自由边界支撑：该方式结构安装不方便，实际上也很少采用。 图 (d)简支支撑：该方式压电弯曲元件支撑在振动的波节上（即波节支撑），支撑的结构轻便、结实，而且装置的损耗也降到最低程度。 圆片形压电振子常采用简支支撑方式。 压电振子的激励方式 使压电振子发电的激励方式 分为惯性自由振动式、冲击自由振动式、强制振动式三种，因为激励方式对压电振子的发电性能影响很大，因此需要结合实际情况选择不同的激励方式。 1． 惯性自由振动式 惯性自由振动式，是在悬臂梁压电振子的自由端附有集中质量块，二者构成弹簧质量系统，如图 28 所示。 当在悬臂梁末端施加冲击（或敲击）时，压电振子自由振动。 该发电方式发电能力较弱，但具有较长的振动持续时间，可以用来吸收环境振动能量，不需要人的参与便可实现能量的转化，提供持续的电能，可与微电子器件集成一体，充当其电源。 其电压输出特性曲线如图 29所示。 在扬声器、 公路隧道视线导航标识等方面都已有应用。 图 28 惯性自由振动 PZT 冲击 基板 质量块 xx 大学学士学位论文 13 图 29 惯性自由振动输出电压 2． 冲击自由振动式 冲击自由振动式，是利用自由振动金属球（或有一定势能的冲击头）撞击压电振子，使之产生弯曲振动，如图 210 所示。 该发电方式能产生瞬间的高压、大电流，其发电量可以点亮数十个 mW 级的发光二极管。 其电压输出特性曲线如图 211所示。 图 210 冲击自由振动式 图 211 冲击自由振动输出 3． 强制振动式 强制振动式，是通过施加振幅（如利用带有突起圆盘的转动或通过按钮直接按压） 迫使压电振子产生交替的弯曲变形来获得能量，如图 212 所示。 xx 大学学士学位论文 14 图 212 强制振动 图 213 强制振动输出电压 此发电方式可单独使用或与电器集成一体，便于及时为电器提供或补充电能，对于长期野外作业或边远地区尤其适用。 其关键因素是作用力的大小及作用时间，其产生的电能与施加振幅的强度同步。 当施加振幅的强度较弱时，发光二极管发光强度微弱；反之发光强度增强，其电压输出特性曲线如图 213 所示。 压电发光扇、压电发光显示装置等用到的都是这一方式。 由于利用压电材料发电的特殊性，因此在选择压电振子支撑方 式和激励方式时就要根据实际的应用情况来决定，一般圆片形压电振子多采用简支撑和按压激励方式；而矩形压电振子多采用悬臂支撑和冲击激励方式。 多片压电振子联接方式 为增强发电装置的发电能力，可以采用多片压电振子并联或者串联的方式。 两压电振子并联，中间基板为负极， PZT 为正极。 假定单片压电振子输出电压为 U，电量为 q，双片输出电压为 U，电量为 q′，则它们所对应的关系如式 （ 2－ 1） [2 22]： q′ =2q U′ =U （ 2— 1） 两压电振子串联，正电荷集中在上极板上 侧，负电荷集中在下极板下侧，而上基板下侧产生的负电荷与下基板上侧产生的正电荷相互抵消。 假定输出总电荷为 q′，单片振子输出电荷为 q，双片输出电压为 U′。