本科毕业设计压电发电一体化温度传感器.docx
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本科毕业设计压电发电一体化温度传感器
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压电发电一体化温度传感器
摘要
近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们关注，究其原因主要在于：
首先，压电材料是一种节能型环保材料，是依靠外界振动使其发生变形而发电的；其次，利用压电材料制作的压电发电装置结构简单，成本低，易于实现，可小型化。
但利用压电发电装置发电存在每次动作时发电量有限的不足，从而制约了其在实际中的应用。
从国外对压电材料的研究中发现，影响其发电能力的因素有很多，如何综合优化这些影响因素，进而提高压电发电装置每次动作时的发电量是需要进一步研究的问题。
压电发电的基础研究工作主要是从压电陶瓷材料的特性以及影响其发电能力因素等方面展开的，这些理论研究解决了压电陶瓷材料在实际应用中的理论问题，也为压电陶瓷材料在更广阔的范围应用打下了坚实基础。
压电发电的研究在日本及欧美等国家开始比较早，而国内对压电发电的研究尚处于起步阶段。
本文着重研究压电发电温度传感器，在压电振子的分析中介绍了压电效应和压电材料。
通过对压电振子的分析，采用了悬臂式支撑结构和冲击式激励方式组成了压电发电装置。
通过对压电振子实验分析，研究对压电振子输出功率的影响的各种因素。
并且用L44组成的整流桥和D475滤波电路组成控制电路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。
关键词 压电振子；压电发电装置；温度传感器
Micro-PiezoelectricGeneratorIntegratedTemperatureSensor
Abstract
Inrecentyearstheuseofpiezoelectricmaterialsforthestudyofenergy,themainreasonis:
Firstofall,thepiezoelectricmaterialisakindofenergy-savingenvironmentallyfriendlymaterials,istorelyonoutsiderstodeformationandvibrationgeneration;followedbytheuseofpiezoelectricmaterialspiezoelectricpowergenerationdevicestructureissimple,lowcost,easytoimplement,maybesmaller.Buttheuseofpiezoelectricpowergenerationdeviceforeachactionthereislimitedcapacityandsoon,therebyrestrictingitsapplicationinpractice.Fromabroadonthepiezoelectricmaterialofthestudyfoundthattheimpactofitsgeneratingcapacitybymanyfactors,ofbasicresearchworkismainlyfromthecharacteristicsofpiezoelectricceramicmaterials,aswellastheimpactoffactorssuchaspower-generatingcapacityofitsaspects,thesetheoreticalstudiestosolvethepiezoelectricceramicmaterialinthepracticalapplicationoftheoreticalissues,aswellaspiezoelectricceramicmaterialsinabroaderscopeofapplicationtolayasolidfoundation.StudyofpiezoelectricpowergenerationinJapanandEuropeandtheUnitedStatesandothercountriesstartedrelativelyearly,whilethedomesticresearchonthepiezoelectricpowergenerationisstillinitsinfancy.
Thisarticlefocusesongeneratingpiezoelectrictemperaturesensor,inananalysisofpiezoelectricvibratorofthepiezoelectriceffectisdescribedandthepiezoelectricmaterial.Piezoelectricvibratorthroughexperimentalanalysis,researchonthepiezoelectricoscillatoroutputpoweroftheimpactofvariousfactors.AndwiththecompositionoftheL44andD475rectifierfiltercircuitcomposedofpiezoelectriccontrolcircuittocollecttheelectricitygeneratingdeviceandelectricalapplicationsintemperaturesensors,temperaturesensorusestemperaturesensorPNsection.
KeywordsPiezoelectricvibrator;Piezoelectricpowergenerationdevice;Temperaturesensor
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Abstract
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第1章绪论
1.1课题背景
近年来，新能源发电技术被利用率越来越高，其污染小，发电源多的特点，在很多领域起了很重要的作用。
以下列举几种新能源发电技术：
1．太阳能发电技术
太阳是地球永恒的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约3.8×1020MW能量，其中有22亿分之一投射到地球上。
巨大的太阳能是地球上万物生长之源，充分利用太阳能具有持续供能和环保双重伟大的意义。
在"8•14"美、加大停电以及美国"9•11"事件后，提醒人们不能过分依赖常规能源集中供电这种方式，利用太阳能的分布式能源系统受到重视。
"到处阳光到处电"是倡导利用绿色能源的主题。
太阳能发电的方式主要有通过太阳能热发电的塔式发电、抛物面聚光发电、太阳能烟囱发电、热离子发电、热光伏发电、温差发电等和不通过热过程发电的光伏发电、光感应发电、光化学发电及光生物发电等两种。
太阳能热发电基本工作原理是利用太阳能集热器将太阳能收集起来，加热工质，产生过热蒸汽，驱动热动力装置带动发电机发电，从而将太阳能转换为电能。
2．风力发电技术
风是由于空气的流动而产生的，风具有一定的质量和速度，因而它具备产生能量的基本要素。
由于风能是随机性的，风力的大小时刻变，必须根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节（转速、电压、频率）、停机、故障保护（超速、振动、过负荷等）以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。
风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及其控制设备的组合。
3．生物质能发电技术
生物质能来源于生物质。
所谓生物质，就是所有来源于植物、动物和微生物的除矿物燃料外的可再生的物质。
利用生物质本身的能量，将其转化为可驱动发电机的能量形式，如燃气、燃油、酒精等，再按照通用的发电技术发电，然后直接提供给用户或并入电网提供给用户。
4．地热发电技术
所谓地热能，简单的说，就是来自地下的热能，即地球内部的热能。
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，地热发电和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。
、
5．潮汐能发电技术
潮汐能是海洋能的一种。
地球上广大连续的水体叫做海洋，海洋的面积约为3.62亿km2，占地球表面积的70.9％。
海洋是个庞大的能源宝库，它既是吸能器，又是贮能器，蕴藏着巨大的动力资源。
海水中蕴藏着的这一巨大的动力资源的总称就叫做海洋能。
潮汐能是海洋能的一种，潮汐能是指海水涨潮和落潮形成的水的动能和势能。
潮汐发电，就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电。
6．燃料电池发电技术
燃料电池不同于平时所说的干电池与蓄电池。
平时所说的干电池与蓄电池没有反应物质的输入与生成物的排出，所以其寿命有一定限度；而燃料电池可以连续地对其供给反应物（燃料）及不断排出生成物（水等），因而可以连续的输出电力。
燃料电池发电也不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，没有复杂的从燃料化学能转化为热能，再转化为机械能，最终转化成电能的过程，而是直接将燃料（天然气、煤气、石油等）中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因此其实质是化学能发电。
近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们关注，其节能环保的特性也备受人们的青睐。
利用压电材料制作的压电发电装置具有环保、结构简单，成本低，易于实现等优点。
压电陶瓷是一种常用的、具有压电效应的多晶体压电材料，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）而得名。
1880年J·居里和P·居里兄弟发压电陶瓷具有压电性，即某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷[1、2]。
这个发现为压电陶瓷在实际中的应用奠定了坚实的基础，于是许多研究人员加入了对压电陶瓷性能及应用的研究中。
1.2压电发电的概况及应用
1.2.1压电发电的概况
压电发电的基础研究工作主要是从压电陶瓷材料的特性以及影响其发电能力因素等方面展开的，这些理论研究解决了压电陶瓷材料在实际应用中的理论问题，也为压电陶瓷材料在更广阔的范围应用打下了坚实基础。
压电发电的研究在日本及欧美等国家开始比较早，而国内对压电发电的研究尚处于起步阶段。
以下是对国外压电发电理论研究的介绍：
日本科学家梅田干雄等（1996，1997）用一个自由落体的球去撞击表面+粘有压电陶瓷的金属薄板（压电振子），并设计了一个等效的机电转化电路模型，计算了该模型能够产生电荷的数量，对利用整流桥和电容搭建的存储电路进行了转化效率方面的研究，计算得出这种存储方法的最大转换效率为35%，是太阳能电池转化效率的3倍多，同时分析得出：
提高机械品质因数、机电耦合系数和降低介电损失可以进一步提高压电发电装置转化效率。
但是该研究人员还指出，在实际应用中，压电发电装置很难达到理想状态的35%转化效率，目前所能达到的转换效率在25%-30%之间。
[3]他们的工作实证了利用压电发电装置发电的高效性。
美国Vanderbilt大学教授Goldfarb和Jones分析了用多层压电振子叠加这种结构来发电时压电材料转化效率问题，研究结论得出压电发电装置工作在谐振区时转化效率较高，同时还得出转化效率和外界激励力的振幅、外接负载与内阻匹配程度有关。
韩国科学家Ji-YoonKang和Hyung-JunKim提出了一种优化设计压电发电装置方法，可以最大限度的提高微型压电发电装置的发电能力。
所设计的微型发电装置的核心器件是悬臂支撑的矩形压电振子，依靠对其施加周期的均匀载荷使其发生形变而产生电荷。
研究是在一定约束条件下进行的：
1．在许用应力范围内；
2．压电振子工作在谐振区；
3．压电振子的宽度一定；
4．压电陶瓷晶片固定在悬臂梁的根部。
结论得出：
压电陶瓷晶片与金属基板的厚度比为0.525，长度比为0.6的压电振子是最适合制作压电发电装置的。
而且从理论分析还得出当加大施加载荷时可以有效提高压电发电装置的发电能力。
美国科学家Elvin（2001）认为随着电子产品功耗的不断降低，利用能量收集装置将环境中的能量收集起来用来充当无线发射器的电源将成为可能。
他所设计的发电装置是由一个贴有压电陶瓷的梁构成，利用整流桥和电容收集压电发电装置产生的电荷。
无线发射器由电容收集的能量来供电，这个电容允许充电到1.1V,然后放电到0.8V停止，充放电过程大约需要1秒钟。
由此证明，利用压电发电为无线发射器供电是可行的。
1.2.2国外压电发电的应用
1．利用压电材料进行鞋中能量收集
美国麻省理工大学教授Kymissis（1999）利用两种不同的压电材料去收集环境中损失的能量，特别是收集人行走时克服重力所损失的能量。
当人行走时，脚击地的瞬间会产生一个加速度，这时冲击力作用在鞋垫上使其受压，当人脚抬起时，鞋垫恢复了原状，但鞋垫的恢复力远远没有其所受的压力大，在这个过程中就会有能量损耗。
研究人员分别利用两种压电材料收集了这部分损耗能量，第一种材料是PVDF（一种高分子压电复合材料）来收集鞋前底弯曲变形时所损失的能量，第二种材料是用PZT来收集鞋跟底部损失的能量，如图1-1实验结果表明，PZT的功率输出能力要强于PVDF，PZT更适合用来制作压电发电装置[4－6]。
2．压电发电型电池充电器
维基尼亚科学家HENRYA.SODANO等在比较利用电容存储电能不足的前提下，第一次证明了利用压电材料制作的发电系统给电池充电的可行性。
并且得出压电振子在谐振工作条件下给一个40mAh电池充电时间不到1小时，利用随机频率充电需要1个半小时的结果[7]。
他们的研究结果使利用压电材料进行能量收集的方法更加趋于实用化，同时也扩大了其应用的范围。
如图1-2所示。
图1-1压电发电
图1-2充电电路
3．压电袖珍风车
德克萨斯州大学的电子工程师沙克·普里亚为解决无线网络电子“节点”供电问题发明了一种压电袖珍风车，这种袖珍风车周长大约为10厘米，附在一个旋转凸轮上，当凸轮旋转时可使一系列压电晶体不断伸缩。
压电材料当被挤压或伸展时便会产生电能。
普里亚发现时速为16公里的微风便可以产生7.5毫瓦的持续电能，足以保证一个电子传感器的运转。
与利用风力涡轮机为电网供电的常规发电机相比，这种压电发电机（袖珍风车）的发电效率要更高一些。
使用10厘米涡轮的常规发电机仅能将可利用风能的1%直接转化为电能。
但一个压电发电机的转化效率则能达到18%。
这相当于最好的大型风车的转化效率[8]。
如图1-3所示。
4．无源安全带检测装置
阿尔卑斯电气公司开发了一种无源安全带检测装置，解决车内布线难的问题。
此装置是通过将压电元件和无线电路嵌入到安全带带扣中，利用解下安全带时的动作，对压电元件施加压力使其发电来驱动无线电路，就能向司机通报安全带使用情况。
无线电路使用遥控车门系统所用的频带315MHz或433MHz[9]。
如图1-4所示。
图1-3压电袖珍风车
图1-4无源安全带检测装置
5．压电发光扇
压电发光扇，它包括扇把、扇面，其特征在于扇把是一中空的杆体，其中设有下端与扇把固定连接、上端相对扇把两侧可自由摆动的印刷电路板，印刷电路板的两侧面上分别纵向贴置压电陶瓷片；扇面通过灯罩固设在印刷电路板的上端；印刷电路板的上端焊接数只发光二极管。
人们在使用扇子的时候，通过压电陶瓷受到反复摆动变形而产生的电能使发光二极管发光，产生闪烁效果，使传统扇子变得新奇、美观大方，不需要使用电池，节能、环保、工作寿命长是这种扇子的最大优点[10]。
如图1-5所示。
6．高速公路隧道中的视线导航标识
该标识是直径约为13.5cm，外围有扇叶。
其内部装有压电转换元件、钢球和6个LED（发光二极管）。
将其安装在交通量大的公路隧道内，利用汽车驶过时所形成的风力来带动标识旋转，通过钢球反复撞击压电转换元件发电来驱动发光二级管发光，以警示过往的车辆[11]。
如图1-6所示。
图1-5压电发光扇
图1-6导航标识及原理图
1.3论文研究内容
本文着重研究压电发电温度传感器，在压电振子的分析中介绍了压电效应和压电材料。
通过对压电振子的分析，采用了悬臂式支撑结构和冲击式激励方式组成了压电发电装置。
通过对压电振子实验分析，研究对压电振子输出功率的影响的各种因素。
并且用L44组成的整流桥和D475滤波电路组成控制电路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。
第2章压电发电技术
2.1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。
2.1.1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2-1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（pCN）
=2.31
=0.73
=-78
=190
=260
410
=-100
=230
670
=185
=600
=330
=-90
=200
相对介电常数
4.5
1200
1050
2100
1000
居里点温度
573
115
310
260
300
密度
2.65
5.5
7.45
7.5
7.45
弹性模量
80
110
83.3
117
123
机械品质因数
80
最大安全应力
81
76
76
83
体积电阻率
〉
〉
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。
[13、14]它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的PbZrO3-PbTiO3二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（Mg-Nb）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2-1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2-2（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。
图2-1陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图
图2-2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P.居里和J.居里兄弟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2-2（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。
2.1.2压电振子
图2-3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PZT-5，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2-3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
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