无线遥控发射器压电自供能发电装置的振动仿真

李丽伟 董晓冬

上海电力学院

无线遥控发射器压电自供能发电装置的振动仿真

李丽伟 董晓冬

上海电力学院

本文提出了一种基于压电换能技术的小功率无线遥控装置自供电方案。结合压电学及弹性薄板振动理论，建立了压电双晶悬臂梁自供能发电装置的理论模型,针对该压电发电振子的振动进行了仿真，基于压电片与基板的厚度比及宽度等结构参数以及悬臂梁自由端位移分析了发电装置的电压输出特性。结果表明：当压电片和基板的厚度比为0.5时，压电振子的电压输出达到峰值；压电振子的宽度对压电发电装置的电压输出特性影响较小；而随着激励位移的增大，压电发电装置的电压输出显著增加。

无线电门铃；自供电；悬臂梁；压电发电；仿真模拟

近年来，随着集成电路、微机电系统的快速发展，超低功耗的微型电子设备得到了广泛的应用。目前，这些微电子元件和系统通常采用干电池等化学电池供电。而干电池电池寿命短、环境不友好、回收困难，并且废电池中含有大量的重金属及废酸、废碱等电解质溶液，以我国生产和消费量最大的干电池来说，其中含有汞、镉、铅等多种对人体有害物质[1]。为了寻找新的可替代绿色能源，近年来各国都展开了对清洁、可靠、廉价的自发电装置的研究。其中振动是存在于包括机器运转、生物运动以及环境噪声等在内的所有场合，是一个不受自然气候影响、普遍存在的能量之源。从外界压力和振动中获取能量的方法主要分为压电式[2]、电磁式[3]和静电式[4]等多种类型，压电式振动能量收集器具有结构简单，能量转换效率高、无电磁干扰等优点，受到了广泛关注。利用压电式振动能量收集器为低功耗设备供电，可实现设备的自供电运行；同时，没有具有额外的电磁干扰、结构简单等优点。为此本文探讨面向低功耗无线遥控应用的压电自供能发电装置振动及结构参数对其电压输出特性的影响。

1 小功率设备无线遥控自供能原理

1.1 电子门铃无线遥控实现流程

电子门铃是生活中常用到的一种小功率电器，为方便日常使用通常采用无线遥控装置实现控制，其由一个无线电发射器和一个接收器组成，工作流程如图1所示。

图1 无线电遥控门铃工作流程图

当按下发射器开关按钮时，振荡电路接通，发射器发出无线电信号，室内的接收器在接收到信号后对信号进行解调处理，随后接收器发出悦耳铃音。

本文提出了一种基于压电式能量回收技术的电子门铃无线遥控自供电方案。将压电式能量收集器置于开关的下方，利用其收集的能量实现无线电门铃的自供电工作。当发射器开关受到向下的压力后，置于开关下的压电式能量收集器因受力产生相应形变，压电效应使得换能器表面电荷重新分布从而形成电场，输出电能。利用电压比较器，实现稳定的直流电输出，如图2所示为新型微功率芯片（LTC1540）电压管理电路[5]。

1.2 压电式能量收集器工作原理

压电式能量收集器的核心是压电振子。压电振子是利用压电材料的压电效应工作的。压电效应是指大部分无对称中心的晶体，在机械应力的作用下呈比例地产生电荷或在外电场的作用下呈比例地产生几何变形，即为正压电效应和逆压电效应。压电能量收集器利用的是压电材料的正压电效应，把环境中振动能转换为可利用的电能，从而为电子器件供能[6]。

压电振子有多种形态[7]，按形状分，可分为矩形、圆形、梯形等，按照机械夹持方式可分为悬臂梁式、简支、两端固定等。本文采用的是悬臂梁式压电振子，如图3所示一端固定于基座中，另一端为自由端，压电振子由压电材料和基板粘结而成。当振子的自由端受到作用力产生位移后，悬臂梁将会产生弯曲，压电陶瓷产生形变，发生电荷转移，从而将机械振动能转换为电能。

图2 LTC1540芯片电压管理电路[5]

2 压电振子的理论建模

建立如图3所示的双压电片悬臂梁发电振子结构模型，以对双晶悬臂梁的电压输出进行理论计算。设其长、宽、厚分别为a、b、h，金属基板的厚度hb，压电片厚度hp为：

图3 双晶悬臂梁压电振子结构图

式中λ为金属基板厚度与压电片总厚度之比，即：λ=hb/h

双压电片悬臂梁结构关于x轴对称，则压电片上表面到中性层面的距离为hz=h/2；由应力与弯矩的关系可知，悬臂梁任意截面的弯矩为：

式中Tb为金属基板在x方向的应力Tb=Eb·Sb；Ap为压电片的横截面积；Ab为金属基板的横截面积；F为施加在悬臂梁自由端的力。

由机械边界条件和电学边界条件可得到模型压电方程为：

式中S和T分别为应变和应力，E为电场，D为电位移，SD为开路弹性柔顺系数；βT为自由到介电常数，g为压电电压系数，gt为g的转置。

由式（1）（2）（3）可变换得到：

式中β=Eb/Ep，Eb为金属基板的杨氏模量，为压电材料的杨氏模量，η1=hz，η2=hz-hp

因此，可得到该压电发电单元在位移激励作用下，输出的开路电压为：

3 压电振子的仿真

无线电门铃发射器供电范围为3-18 V[8]，家用无线电门铃的供电一般为12 V碱性干电池，为实现发射器的正常工作，压电发电装置输出范围要在5～12 V。本文采用ANSYS软件针对双晶悬臂梁复合压电振子进行振动仿真，压电振子材料为PZT-5；基板材料为铍青铜，表1为压电及基板材料参数。

表1 压电材料和基板材料参数

以下主要分析压电复合振子复合振子宽度、压电片与弹性基板厚度比以及悬臂梁自由端位移等结构参数对压电发电振子输出电压的影响。

（1）压电振子宽度对输出电压的影响

仿真研究针对结构尺寸为60 mm×0.4 mm的双晶悬臂梁压电振子复合板。其中压电陶瓷的厚度为0.2 mm，基板厚度0.2 mm，对宽度分别为20mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、50mm的压电振子进行模拟分析，当受限最大位移为2mm时，输出结果如图5。

由图-4可知，当振子宽度逐渐增大的时候，压电振子的电压输出在6.5到7之间波动；表明宽度对悬臂梁压电振子的电压输出影响不大，针对相同材料及结构尺寸，文献[9]中实验测得宽度对输出电压的影响很小。

（2）厚度比λ对输出电压的影响

仿真研究针对结构尺寸为60 mm×40 mm的双晶悬臂梁压电振子复合板.其中选取压电陶瓷的厚度为0.2 mm，对基板厚度分别为0.05 mm、0.1mm、0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm、0.35mm的压电振子进行了模拟，考虑开关受到最大按压激励位移为2 mm时，仿真获得的输出电压随基板厚度与压电板厚度比变化关系如图4所示。

固定压电复合振子长宽及压电陶瓷的厚度，由图5仿真结果可知，随着基板与压电板厚度比的增大，压电振子的输出电压先增加再减小，当压电片与基板厚度比为0.5时，此时基板厚度为0.2mm，压电振子的电压输出达到峰值，针对相同材料及结构尺寸，文献[9]中实验测得压电基板厚度比为0.525时振子输出电压最高，两者误差为5%，所反映的电压输出对厚度比变化趋势一致。

（3）梁自由端位移对输出电压的影响

选用结构尺寸为60 mm×30 mm×0.4 mm的双晶悬臂梁压电振子复合板，其中压电陶瓷的厚度为0.2 mm。对梁自由端位移分别为0.5 mm、1.0mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm时进行模拟分析，输出结果如图6。

图4 压电振子的输出特性随压电振子宽度的变化

图5 压电振子输出特性随厚度比增加的变化

图6 压电振子输出特性随位移的变化趋势

由图6可知：随着压电振子自由端位移的增加，压电振子的电压输出随激励位移的增加明显增大。与基于理论模型编程计算获得的输出电压随激励位移变化的趋势一致。由于受尺寸结构限制，限定压电振子自由端最大位移是2 mm，相应的仿真输出电压为6.9 V，编程计算得到的电压值为7.1 V。

4 结论

基于压电学及弹性薄板振动理论，建立了压电双晶悬臂梁自供能发电装置的理论模型,对双晶悬臂梁进行了仿真。结果显示：当压电陶瓷和基板的厚度比为0.5时，压电振子的电压输出达到峰值；当压电振子的长度、厚度不变时，在固定激励位移时，改变压电振子的宽度，压电振子的电压输出在小范围内波动；当压电振子的结构参数不变时，压电振子的电压输出特性同激励位移成正比例关系。对于60 mm×30 mm×0.4 mm的双晶悬臂梁压电振子，当激励位移为2 mm时，输出电压为6.9 V，转换为直流电后，可满足无线电门铃工作电压的要求。

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[6]费晓强，张克军，崔雷涛，等. 智能手机和可穿戴设备能量收集技术[J]. 电子元件与材料，2015（2）：79-81.

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Vibration Simulation of Wireless Remote Control Transmitter Piezoelectric Energy Harvesting Generator

Li Liwei, Dong Xiaodong
Shanghai Electrical Power University

The article introduces one kind of small power wireless remote control device energy harvesting solution based on piezoelectric energy transfer technology. Combined with piezoelectric and elastic thin-plate vibration theory, the author builds up theoretical model of piezoelectric double cantilever beam energy harvesting device. Focused on piezoelectric power generation oscillator simulation, based on thickness and width and other structural parameters of piezoelectric and substrate and cantilever beam free end displacement, the author analyzes generator voltage output characteristics. The results show that piezoelectric oscillator voltage output reaches peak when piezoelectric and substrate thickness ratio is 0.5. Piezoelectric oscillator thickness impact on piezoelectric generator device voltage output is small. Piezoelectric generator device voltage output increases with excitation displacement increases.

Wireless Electric Bell, Energy Harvesting, Cantilever Beam, Piezoelectric Generator, Analogue Simulation

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.011