最佳操作条件(PbxX1−x) (ZryTizY1−−y z)压电换能器的振动能量收集应用程序

文摘

双压电晶片零件的电能生产能力()()纤维复合压电换能器已经调查了能量收集应用程序。分析了材料在不同频率下,弯曲,和温度。操作条件最大电能结果已经确定。振动的自然频率在宏观维度发现材料的长度成反比。另一方面,电压输出的振荡频率展览一个有趣的行为等特性曲线转向更高频率的弯曲半径却降低了。这种行为被视为是一种结果可能的泛音振动的转换更严厉的方式。增加温度一直在观察到有一个负面影响压电能量收集属性。确定最佳条件下使用时,大量的电能存储在6300年代由一个能量收割机电路已被发现是0.8 J。

1。介绍

随着环境问题和有限的资源减少传统能源生产方式的普及,清洁和可再生的技术使用太阳能、风能、地热、波,振动能获得更多的重要性1- - - - - -5]。其中,从承诺尤其是振动能量收集W应用程序,因为它呈现相对较高的能量密度。

各种原则利用振动能量转换成电能可以认为是电磁学,静电学和压电。与框架相比,压电导致大约3倍能量密度输出(6,7]。此外,在获得的力量W尺度当压电材料在普通条件下操作可以提高对mW尺度通过适当的优化过程。这些过程包括(8- - - - - -10](我)使用不同的材料,如锆钛酸铅(()()或(压电)),聚偏二氟乙烯(PVDF)和长纤维复合(MFC);(2)加载方向平行的压电材料(d31)或垂直的平面电极(d33);(3)几何形状的选择(戒指,三角形,正方形,等等)的压电材料;(iv)材料的生产在不同类型的形态学(单,双压电晶片零件,s-morph等);(v)能量收割机的设计线路的交直流整流器(半波、全波和桥),直流-直流转换器(巴克,促进和buck-boost)和存储设备(可充电电池,超级电容器,等等)。

另一方面,压电材料的脆性可能被视为他们的主要缺点11]。

在压电材料,压电陶瓷压电陶瓷换能器具有很高的声誉(12- - - - - -15]。它的压电电荷系数()、压电电压系数()、介电常数()、机电耦合系数(),电荷灵敏度很高,而其机械损耗很低(16,17]。近期作品关于压电陶瓷换能器主要是聚焦超声技术和声学显微镜由于其合适的物理性质(18]。因此,压电传感器,它能够工作超过30 MHz,用于不同的分支像皮肤,血管内,intracochlear植入物(19- - - - - -21],显示[22),和其他光电设备(23- - - - - -28)与微型机电系统(MEMS)、集成微光谱(28- - - - - -30.)、光学相干断层扫描(31日- - - - - -35],microfluidity应用[36),机电阻抗(EMI)光谱实时监控(37),在纳米生物传感器敏感(38),无线电频率(RF)应用程序(39],lens-on-silicon超声聚焦单元(40]。此外,压电薄膜高频(~ 100 MHz)传感器也对超声波的应用研究[41- - - - - -43),活组织镜检查(44,皮肤和眼科诊断(45]。

为了被用于实际的能量收获的目的,压电陶瓷换能器的输出功率必须进一步加强。在上面提到的几种类型,双压电晶片零件结构包括一个金属电极夹在两个压电层需要关注由于其密度较高的能源生产能力相比与其他类型(18,40,46- - - - - -48]。同时,取代标准的铝电极与Ag)或双压电晶片零件结构使用Pt被证明影响能量收获性能(36]。

在这项工作中,双压电晶片零件纤维复合压电陶瓷压电换能器研究特别强调其能量收获性能。在这方面,最大化电信号输出的操作条件决定。压电属性增加的淬火温度已经证明。虽然这种材料承诺高能源产量,它已经表明,操作条件,用于不同的应用程序必须预先确定的小心,因为材料展览系统地改变荷载下的非线性行为。这种行为是试图解释由于共振频率的改变在分子水平上对不同弯曲。

2。材料和实验

纤维复合压电能量收割机用于这项工作示意图描述在图1。压电纤维单向一致,以提高设备的耐用性和电荷收集效率。电信号是观察当设备弯曲,弯曲,或振实。电池的电荷被金属电极在结构中传播。除了对电荷收集效率的提高,这种金属电极有助于进一步延长设备的寿命之前,机械坏了。

首先,分析电压信号输出设备连接之前执行的可充电电池。图2显示了本研究中使用的实验装置。安装准备测量和确定最优条件从压电陶瓷换能器获得最大的电能。

为了收集装置的实验数据,首先其目的之一是固定在一个固定的支持,如图2由于手头的压电能量收割机是灵活的类型。然后,发布的设备由一个推弯曲,让它自由地摆动。收集的电信号是一个示波器(图3对不同的振荡频率和曲率半径)。然后,它是通过一个交流信号的数据采集单元产生的压电能量收割机由桥整流二极管,电容过滤,存储为直流信号。生产的模拟电压值由Arduino大型2560单片机读卡和转移到数据获取和分析模型由MATLAB / Simulink开发。实时测量结果记录Arduino插件的MATLAB / Simulink仿真环境。

3所示。结果与讨论

3.1。基本特征

从电压信号图3前两个电压的峰值是或多或少的。因此,我们认为第三高峰渲染系统的不同测量之间的比较。第三个高峰后,信号的衰减特征几乎是完美的正弦展示一个时期。

给出了振动的衰减动力学在图4。观察快速衰减后的释放装置在第一次与相对较高的振幅振动。大约0.25秒,慢衰减特性,克服了这种不和谐的行为与后者一致阻尼简谐运动的简单模型。电压信号会降到10的在~ 0.7 s。信号的衰减时间可以增加了连接负载电阻并联整流电路的插座(49]。然而,由于一部分产生的权力是迷失在负载电阻器,这种方法是不可取的,尽管对延长阻尼时间。

3.2。体长关系

为了观察材料的长度和频率之间的关系,首先材料的长度保持不变,这是观察到的频率没有改变材料弯曲时在不同的比率。这种现象被称为悬臂梁的固有频率(50,51]。作为实验中使用的材料和它的质量没有改变,改变施加的力的弯曲半径不影响振荡频率主要由逆比例和压电悬臂的长度如图5。

3.3。温度的影响

因为能量收割机的工作温度不同,压电材料的性能在不同的温度下测量。图6给出了价值的材料温度从306 K到353 K在恒定的频率(20 Hz)和弯曲半径(12厘米)。随着工作温度的增加,输出电压降低。这种行为预计由于两个主要原因。首先,声子与更大的动量形成温度升高时,会导致更大的自由电子在任意方向散射减少电极达到目标的概率。第二,压电材料的介电函数是放松在更高的温度52],在临界温度时,称为居里温度这种材料(623 K),材料变得完全去极化的和失去其压电性能。由于这个原因,建议操作温度低于一半的居里温度(53- - - - - -55]。

3.4。压力下的频率响应特性

频率响应特性的压电材料通常由功率的测量和/或电压输出信号的函数一些外部机械激励源的频率。这种测量方法通常是执行,当压电材料在休息或平衡。然而,在能量收集应用程序中,压电材料的输出信号采集时强调或平衡。在这方面,标准的频率响应曲线的有效性必须重新考虑压电材料,如果材料是用于能源收集目的。

在图7、平均峰电压输出(单位长度)的压电能量收割机记录作为其振荡频率的函数在不同曲率半径(从9.5厘米到17.5厘米)。这里,逆的曲率半径应当被视为一定程度的压力,变形或非平衡。

为厘米,压电能量收割机略弯曲,其修复点(见图2实验设置)。看到的是压电材料产生的电压输出第一个减少随着振荡频率的增加从20 Hz至23日赫兹。进一步增加对30 Hz频率,电压输出开始增加,最后经过一个最大值约33赫兹(注意这个频率是在良好的协议与材料的常见的共振频率测量直接外部机械激发材料时保持静止)。更高频率的电压信号缓慢减少。这种“想汤匙”行为是常见的所有测量集。这个曲线的最小值点周围的行为似乎与后续耗散振动能量的吸收及其声子在整个结构没有任何电信号的生产。另一方面,最大周围的行为直接相关的振动能量转换为电能的匹配的振荡频率与分子的共振频率(即。,振动频率变得有些分子共振频率的整数倍数导致一个建设性的效果,提高了压电陶瓷的极化分子)。有趣的是,这种特性曲线转移到更高频率较低的曲率半径(即。更强的弯曲)。换句话说,连同增加的最大输出电压,这个电压输出的振荡频率也增加。这里应当指出,“想汤匙”特征曲线加速作为一个整体在频率轴不同的曲率半径; that is, the frequency corresponding to the minimum voltage also shifts in the same manner. However, assuming that the underlying reason for the upshift of the curves remains the same, a physical interpretation is proposed focusing on the frequency shift of only the “maximum” voltage output which is the relevant quantity for an energy harvester.

3.5。解释的共振频率的改变

一开始,莫尔斯势作为原子间相互作用能,,组成原子之间的压电陶瓷结构: 在这里,一个参数相关的宽度和潜在的好吗是平衡两个后续的原子之间的距离。尽管胡克定律提供了精确的解析解薛定谔方程的简单模型的量子谐振子,莫尔斯定律是更普遍的,因为它考虑了非简谐振动和泛音过渡。事实上,胡克定律的二阶泰勒展开1),因此可以认为是莫尔斯定律的一个简化版本。

框架内的物理原理,共振频率的加速增加初始弯曲必须增加有关因素(1)。两个的可能性采取不同的值在不同的弯曲进行了以下两个部分。

3.5.1。发生在弹性和塑性变形区域的附近吗?

请注意,弹性模量成正比,被定义为stress-to-strain曲线的斜率在弹性变形区域。曲线的斜率减小在大应变值,最后变成了零的材料达到强度极限。换句话说,物质开始失去它能恢复原来的形状与弯曲量,增加一个临界点后,从弹性到塑性变形的类型变化。从微观的角度,有些原子键开始形成缺陷导致较低的恢复力。这种行为导致下降,因此它不能归咎于现象观察到这个工作。在这里,之前的作品(56,57)压电MEMS报告减少共振频率更高的加速度值不应被混淆,因为这些作品的共振频率的概念被用于MEMS的振荡频率取决于维悬臂的length-to-volume比例要大得多。可能,他们的压电悬臂经历或多或少突出非线性stress-to-strain曲线。相反,这项工作对应的共振频率振荡在分子水平上。

3.5.2。泛音转换到更严厉的方式

虽然这项工作进行的实验材料与初始弹性变形,非简谐振动的程度增加而增加弯曲根据(1)(图8)。正确的解释的弯曲共振频率的增加而增加,释放的动力学此刻是至关重要的从第二个正弦波振荡的决定。这是如图4压电陶瓷换能器首先经历快速非谐衰变;然后过渡到一个相对缓慢的谐波发生衰变。输出电压的衰变是一个振荡幅度下降的直接结果在(1)。另一方面,应该牢记的是,总的能量损失主要是由可能的声子发射机制的温度(图中扮演关键角色6)。考虑到恒定的温度(即。,room temperature) for all sets of measurements in Figure7预计,没有剧烈变化的主要能量损失机制。在这方面,振荡幅度在快速的减少不和谐的衰变释放后不能完全归因于材料的潜在能量损失。相反,在强者试图重新排列(即振荡行为。,from anharmonic to harmonic), the PZT material can make an overtone transition from a lower国家向更高状态。根本原因之一这强大的尝试可能是斥力之间的不平等所强加的不稳定应用于压缩一半,吸引力应用于扩大弯曲材料在非谐振动的一半。对于能量守恒的观点,这样的转变是可能的,如图8。当材料被弯曲兴奋,莫尔斯曲线在图8可能紧随其后。压电陶瓷材料有这样一个潜在的曲线可以说是在一个相对低国家指定的相应的胡克的曲线。假设一个瞬时重排发布后,压电材料可以运输胡克的曲线,在那里。这种假设似乎合理的与“快速”由于其良好的协议转换从非谐谐状态。显然,在更高的弯曲量,材料经历更大的恢复力,因此更快anharmonic-to-harmonic过渡导致更大的差异和更大的共振频率的加速。

3.6。存储的电能

除了提取压电材料的最大输出电压,存储与最低电压损失也很重要。有效的方法之一是,正弦电气信号可以通过整流电路和过滤之前存储在电池(图2)。然后,储存能量将随时准备使用任何目的。图9显示存储的时间依赖性在0.1 F电容电压的振荡频率20 Hz弯曲曲率半径为9.5厘米。这些参数可能被视为这个压电陶瓷压电能量收割机的最佳操作条件。另一组参数最大电压输出将由使用65 Hz的振荡频率,而不是20赫兹(图7)。然而,这意味着至少三次振荡更频繁更严厉的材料在一个大的弯曲,因此,不会是一个不错的选择,以避免更快疲劳和降低材料的生命周期。确定最佳操作条件,能量存储在6300年代在室温下是0.8 J。的最大电压输出观察到即时发布在最优条件下略高于200 V,电流高电压是53μ导致电力约10兆瓦。

4所示。结论

在这项研究中,纤维增强的能源生产能力的检测压电陶瓷压电换能器是系统地检验。收集的电信号是高产能量收割机电路自激振荡过程中外部应用弯曲后的压电材料。正弦电压信号产生的机械振动表现出最初的快速非谐衰减相对较低的谐波衰减紧随其后。这些振荡的频率可以通过改变压电悬臂的长度调整。环境温度,尤其是户外能量收获应用至关重要,具有很强的影响产生的电信号。建议压电材料的温度不应超过一半的居里温度以保证声子散射和介电弛豫的低水平。频率响应曲线显示了一个加速在频率轴弯曲量增加。关于节能的原则,这种行为归因于增加因素的压电材料的形式过渡到一个更强硬的振荡模式。的最佳室温操作条件确定手头的压电能量收割机是20 Hz振荡频率和曲率半径9.5厘米。在最佳条件下,最大电压()和相应的电流获得约200 V和53μ分别一个生产大约10兆瓦的电力。虽然这低功率似乎与传统的可再生能源系统相比,它是来自一个压电材料和提高可通过适当的配置包括多个压电陶瓷材料的数量。同时,这种权力水平在毫瓦的顺序是充分的应用,如若,MEMS热成像,和无线网络系统。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

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冲击和振动