压电陶瓷发电装置的能效优化系统设计

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一种高精度压电陶瓷驱动电源设计

• 134•压电陶瓷(PZT)作为原子力显微镜(AFM)控制结构中微驱动定位的关键器件，能够用于快速跟踪测量样品表面的形貌变化，而其驱动电源是决定压电陶瓷微驱动性能的核心部分。

本文采用线性放大式驱动电源原理，设计了一种以AD8572+PA85A为核心的高精度压电陶瓷驱动电源。

主要介绍了驱动电源的工作原理、两级运放的特点和影响运放稳定性的关键因素。

实验结果表明设计的驱动电源线性度高、响应速度快、性能稳定，能有效应用于AFM的微驱动定位系统中。

引言：随着生物医学、微细加工和精密制造工艺等领域的不断发展，纳米级定位技术得到广泛关注，压电陶瓷微位移驱动平台作为理想的定位系统，它在体积、响应速度、分辨率等方面优点突出（李龙江，压电陶瓷驱动电源及其控制系统的研究：哈尔滨工业大学，2012；徐辽，基于PA85A的高精度动态压电陶瓷驱动电源设计：压电与声光，2018）。

而压电陶瓷驱动电源作为微位移驱动平台的核心部分，其线性度、电压分辨率、响应速度和稳定性都决定着AFM的扫描成像能力，所以对驱动电源输出电压的稳定性、分辨率和响应速度等性能提出了更高的要求（刘振明，压电陶瓷驱动器动态驱动电源设计：电源技术，2011）。

目前，国内外的专家学者对压电陶瓷驱动电源的研究多集中在电源的谐波失真、频响范围、输出的功率等方面（王彭，宋克非，高带宽压电陶瓷驱动电源：仪表技术与传感器，2016；钟文斌，一种误差放大式压电陶瓷驱动电源的研制：压电与声光，2014；滕旭东，高精度数字跟踪式压电陶瓷驱动电源设计：电源技术与应用，2013）。

然而面对目前仍存在的驱动电源输入失调电压高、精度不够、非线性失真大、稳定性差等影响压电陶瓷驱动电源性能的关键因素，提出行之有效的解决方案仍然是其在AFM应用中至关重要的技术之一。

1 驱动电源工作原理和技术指标压电陶瓷驱动电源分为电荷控制型和电压控制型两种（赵雅彬，一种压电陶瓷致动器直流可调稳压驱动电源设计：北方工业大学学报，2015；金学健，曹龙轩，冯志华，基于恒流源的改进型压电陶瓷高压驱动电源：压电与声光，2017）。

压电发电效率

压电发电效率介绍压电发电是一种将机械能转换为电能的技术。

通过施加压力或应变于压电材料，可以引起电荷的分布不均匀，从而产生电势差。

这种电势差可以用来产生电流，实现能量的转换。

压电发电原理压电发电是基于压电效应的。

压电效应是指当施加压力或应变于某些压电材料时，会在材料内部引起电荷的非均匀分布。

这种分布不平衡会产生电势差，从而形成电场，使得电荷在电极之间移动，产生电流。

压电发电材料压电发电材料主要由压电陶瓷、聚合物和复合材料组成。

压电陶瓷是目前应用最广泛的压电材料，具有良好的压电性能和稳定性。

聚合物压电材料具有轻量化、柔韧性和可加工性等优势。

复合材料结合了不同材料的优点，具有更高的压电效率和机械强度。

提高压电发电效率的方法1. 优化材料结构- 调整晶格结构和晶粒尺寸，提高材料的压电性能。

- 改变配比和掺杂，优化材料的导电性和机械强度。

- 提高材料的压电耦合系数，增加输出电压。

2. 提高能量转换效率- 优化电极设计，减少电极极化损耗。

- 提高能量转换的转化效率，减少热损失。

3. 使用多元材料结构- 采用多系统结构，利用不同材料的优点，提高压电发电效率。

- 堆叠和复合多种压电材料，实现多效应耦合。

4. 系统优化设计- 优化发电系统的电路拓扑结构，提高电能转换效率。

- 采用最佳控制算法，提高能源捕获的效率。

压电发电应用前景压电发电技术在微型电源、无线传感器网络以及可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。

- 微型电源：压电发电技术可以为微型设备提供可持续的能源，延长其使用寿命。

- 无线传感器网络：压电发电可以为传感器节点提供自主供电，降低更换电池的频率。

- 可穿戴设备：压电发电技术可以将人体的机械运动转化为电能，为可穿戴设备提供电力支持。

总结压电发电技术是一种将机械压力转化为电能的技术。

通过优化材料结构、提高能量转换效率、采用多元材料结构以及系统优化设计，可以提高压电发电效率。

这项技术具有很大的应用前景，在微型电源、无线传感器网络和可穿戴设备等领域将发挥重要作用。

压电陶瓷的电能转换效率评估

压电陶瓷的电能转换效率评估压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，可以将机械能转换为电能。

在现代科技领域中，压电陶瓷被广泛应用于传感器、超声波发生器、声表面波器件等领域。

而在这些应用中，压电陶瓷的电能转换效率是一个至关重要的参数，直接影响到设备的性能和稳定性。

电能转换效率一般可以通过压电陶瓷的压电系数、机械耦合系数、质量密度等参数来评估。

压电系数是描述压电材料在外加压力作用下电压与应变之间的关系的参数，是评估其电能转换效率的重要指标之一。

较高的压电系数意味着压电陶瓷在受力时能够产生更多的电荷，从而提高电能转换效率。

另外，机械耦合系数也是影响压电陶瓷电能转换效率的重要因素之一。

机械耦合系数是描述压电材料机械能和电能之间转换效率的参数，是一个综合了材料本身性能和结构设计特点的指标。

较高的机械耦合系数可以使压电陶瓷在传递机械振动时更有效地转换为电能，提高电能转换效率。

此外，压电陶瓷的质量密度也会对其电能转换效率产生影响。

质量密度越大，压电陶瓷在受力时振动越小，能量转换损耗也越小，从而提高电能转换效率。

因此，在设计压电陶瓷材料时，需要综合考虑其压电系数、机械耦合系数、质量密度等参数，以实现更高的电能转换效率。

在实际应用中，提高压电陶瓷的电能转换效率是一个系统工程，需要从材料选择、结构设计、工艺制备等多个方面进行优化。

首先，在材料选择方面，需要选择具有较高压电系数和机械耦合系数的压电陶瓷材料，例如铅酸钛酸钡、钨酸锆钪等。

其次，在结构设计方面，可以通过优化压电陶瓷的形状、尺寸和结构来提高其电能转换效率，减少能量损耗。

此外，在工艺制备方面，需要控制材料的纯度、结晶度、烧结工艺等关键参数，以确保压电陶瓷材料具有良好的性能和稳定性。

除了以上方面，压电陶瓷的电能转换效率还受到温度、湿度等环境因素的影响。

在实际应用过程中，需要考虑这些环境因素对压电陶瓷性能的影响，并采取相应的措施来保证其电能转换效率。

例如，在高温环境下，可以采取降温或加入散热设备的方式来降低压电陶瓷的温度，提高其电能转换效率。

压电陶瓷发电效率

1.压电陶瓷发电形式对比1.1悬臂梁形式悬臂支撑方式可产生最大的挠曲和柔顺系数,同时,具有较低的谐振频率[1]。

悬臂梁式压电换能器的系统输出与梁的振幅和宽度成正比,与梁的长度成反比,其基振频率已由Wang和Cross计算得出[2]. 当其振动频率与悬臂梁的固定频率相等时,悬臂梁发生共振.1.2圆形压电换能器圆形压电振子,通常选用其弯曲振动模式。

这种振动模式的最大的优点是:在相同尺寸条件下,其共振频率比其他振动模式低得多。

圆形压电振子的谐振频率与其半径的平方成反比,与厚度成正比,同时,受其结构参数的影响。

圆形压电振子的输出电压随压电晶片半径的增大而减小,圆形压电振子的输出电压随压电晶片厚度的增加而增大. 圆形压电振子的振动属于薄板振动问题,工作方式采用33模式,应用在压电发电鞋等方面。

2.压电换能器的激励方式2.1惯性自由振动式在悬臂梁压电换能器的自由端附有集中质量块,二者构成弹簧质量系统。

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,提供持续的电能供应。

2.2冲击自由振动式该发电方式能产生瞬间的大电流,其发电量可以点亮数十个毫瓦级的发光二极管。

2.3强制振动式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。

3.连接方式对比并联接法的输出电流大,时间常数大,适用于测量缓变信号,并且,适用于以电流作为输出量的场合;串联接法的输出电压大,本身电容小,适用于以电压作为输出信号,且测量电路输入阻抗很高的场合。

[1] DiegoCAS. Harvestingenergyfroma cantilever piezoelectric beam[C]∥Proceedingsof theSPIE2The International Society for Optical Engineering, 2004:259- 268[2] Smits G,DalkeSI, CooneyTIL. Theconstituent equations of pie2 zoelectricbimorphs[J ]. Sensors andActuators, 1991(28): 41 -61.压电陶瓷片的电容计算与瓷介电容器的容量计算是一样的，采用平板电容器的计算公式，（注意单位）C=ε×S／dC—电容量（F）ε—介质的介电系数（F／m）S—电极面积（m2）d—介质厚度（m）。

2014_压电陶瓷驱动的精密微操作平台特性与优化_胡俊峰

厚度、式中 t、宽度和半径．
图3 Fig． 3 平台伪刚体模型 Pseudo rigidbody model of the stage
输入刚度 K ii 和输出刚度 K io 定义为 K ii = F i / d i ； K io = F i / d o
（ 9）
2
2. 1
微操作平台静态特性
平台的放大倍数
d o 为平台输出位移．平台的设计思路如下：输入位移，移通过杠杆机构 FAB 放大，然后通过连杆 BC 将点 B 运动转换为点 C （输出端）运动，并且连杆 BC 能将点 B 位移放大，设计了一种两级放大微动机构，同时采用对称结构消除点 C 横向位移，可产生沿 Y 方向的输出位移，输出位移与输入位移相反．平台具有对称性，可减小 X 方向位移，提高平台的运动精度．
2014 年 9 月
胡俊峰等：压电陶瓷驱动的精密微操作平台特性与优化
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弹簧作用于输出端，由于输出端沿 Y 方向移动，即用滑块表示其运动．
学性能的一项指标，它反映了输入力与输出位移的关系，为了使微操作平台在一定的作用力下能产生较大的输出位移，希望输出刚度越小越好．下面利用功与能的关系，推导出平台的刚度模型，将平台视为线弹性体处理，平台受外力作用产生变形，由功能原理可知，外力所做的功 δW 完全转化为结构体的变形能 δU． 10］文献［给出了柔性铰链的转动刚度 K θ 公式，即 Kθ = 2 Ebt5 / 2 9 πＲ1 / 2 （ 8）
则驱动作用位置建立如图 3 所示的坐标系 AXY，的矢量 AF 可表达为 AF = （－ L3 cos α + L4 sin α） i －（ L3 sin α + L4 cos α） j （ 1）

压电陶瓷分选系统的恒压节能改造

《自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第２期58 | T echniques of Automation & Applications 经验交流Technical Communications压电陶瓷分选系统的恒压节能改造刘艳红（扬州工业职业技术学院　电子信息工程系，江苏　扬州　２２５１２７）摘要：针对传统压电陶瓷自动分选系统中能耗高、噪音大和自动化程度低等缺点，提出一种实用方案，该方案利用ＰＩＤ算法和变频器实现系统恒压节能控制。

实践证明，该系统节能效果突出，改善了陶瓷元器件的生产工艺，具有较大实用价值。

关键词：变频器；压电陶瓷；空压机；节能中图分类号：ＴＭ４６５文献标识码：Ｂ文章编号：１００３－７２４１（２０１１）０２－００５８－０３Constant Pressure and Energy Conservation Reformin Piezoelectric Ceramic Sorting SystemLIU Yan-hong( Department of Electronic Information Engineering, Y angzhou Polytechnic Institute, Y angzhou 225127 China )Abstract: In view of the shortages of piezoelectric ceramic automatic sorting system, such as high energy consumption, big noiseand low automatic degree, a practical control scheme is put forward, in which the constant pressure and energy conser-vation control is accomplished by PID algorithm and frequency convertor. It is proved in practice that the system has outstanding energy conservation effect, the produce technology is improved.Key words: frequency convertor; piezoelectric ceramic; air compressor; energy conservation收稿日期：２０１０－１０－２１１引言压电陶瓷滤波器是利用压电陶瓷的压电效应和谐振特性制成的带通滤波器，它在电路中主要是作为频率控制器件。

压电陶瓷合理化建议

压电陶瓷合理化建议
压电陶瓷是将电能转换成位移或输出的功能材料，广泛应用于精密定位、半导体加工、显微成像等各个领域。

一、压电陶瓷的特性
1大输出和高机械负载能力
2高刚度和高动态
3 真空环境兼容性，高分辨率
二、压电陶瓷的应用原理
请确保压电陶瓷将为您的应用带来其他解决方案无法比拟的优势。

如果使用压电陶瓷仅仅是出于成本原因，那么该方案的可行性值得考虑。

请正确分析和设计你的应用，并使用电瓷所能达到的力和位移。

我们必须注意机械设计的合理性. 只有采用合理的机械设计，我们才能充分利用压电陶瓷的性能，包括可靠性高、重复性好和使用寿命长的优点。

如果使用创新的压电陶瓷技术，但旧的机械结构系统仍然使用，该系统的升级将经常失败，因此有必要考虑重新设计外部机械结构系统。

压电陶瓷通常用于不同的应用，它们的适用性可能不会反映在参数表中。

因此，我们应该仔细分析和选择替代产品。

三、压电陶瓷的使用寿命和可靠性取决于压电陶瓷的参数和应用条件。

因此，不可能评估测试环境中的所有可靠性。

该方法是在一组实际
操作条件下测试系统。

即使对于运行良好的压电机械系统，对于驱动条件或系统设计的微小变化，也需要新的参数校准和适用性评估。

基于压电陶瓷的环保节能型取暖器的设计

基于压电陶瓷的环保节能型取暖器的设计摘要：本文指出了利用压电陶瓷的的正压电效应发电，实现了自发电功能，符合节能环保理念，并具有较高的经济效益。

设计了一款通过对压电陶瓷的理论研究与分析，对压电陶瓷进行外界施压，使其产生电荷，利用稳电集电部分、储能部分及控温装置设计了发热、控温的节能环保型取暖器。

该款取暖器可用于户外工作者的使用，无需外接电源，控温装置提高了使用的安全性，储能部分用于持续供能，符合当前的节能环保理念，达到了国家节能减排的要求。

关键词：节能环保；压电陶瓷；自发电；控温引言严寒冬季，取暖产品备受人们青睐，从热水袋到电加热、化学剂加热的取暖产品层出不穷，随着取暖产品种类的增加，人们对其的要求也越来越高，是否节能环保、是否便于携带也成为了用户选择的首要条件。

因此市场上一些便于携带的暖手宝、发热贴成为了炙手可热的取暖产品，这类产品虽满足了用户需求的功能性和方便性，但绝大部分都利用化学剂反应发热或者采用电池和充电发热，而利用化学剂发热的一次性产品会严重污染环境，违背绿色环保概念，利用电能发热是对能源的消耗，与节能理念相悖。

同时，低温烫伤等安全问题也使得人们对其望而却步。

1常用取暖器的分类和特点1）可见光辐射式取暖器，俗称"小太阳"取暖器，这种电暖器是通过电热丝发热，当设备通电后，再以红外辐射热的形式取暖。

辐射式取暖器没有噪音，效果快，还适应于户外使用，不怕自然风的吹刮，并清洁无烟尘气味。

2）电热汀取暖器亦为充油式电暖器，这种电暖器体内会存在大量导热油，该取暖器在接通电源后，通过产品里的电热管对导热油进行持续加热，然后通过散热片将热量散发出去，达到取暖的作用。

该类型的取暖器体内通常都会装有温控器，当油温达到85℃时，会自动断电，起到保护作用。

电热汀取暖器的取暖效果来得慢，但其噪音小，范围广，较省电。

3）PTC风扇式取暖器，这种取暖器是通过PTC这种陶瓷电热元件，当设备通电后，陶瓷电热元件开始发热，并利用风机将热风对外吹出已达到取暖的效果。

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ｐａｒｔｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｏｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａＤ＿ｂｅｓｅｌｆ－ｐｏｗｅｒｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｓｅｌｆ－ｐｏｗｅｒｅｄ
摘
要：针对压电发电装置发电效率不高的问题，设计了一种基于单片机的压电陶瓷发电装置的能效优化系
统，该系统可调节悬臂梁长度来改变装置的固有频率，让系统自动适应外界振动信号变化，实现装置的能效最大
ｍｉｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｌｅｎｇｔｈｔＯｃｈａｎｇｅｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｎｄｍａｋｅｔｈｅｓｙｓ —
化。利用ＬＴＣ３３３１电源管理芯片来进行整流、变压，将能量存储在可充电电池的同时，又将一部分电能作为整个系统的工作能源，实现优化系统的自供电。
关键词：压电发电；单片机；频率；能效；自供电
ｔｅｍａｄａｐｔｔｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｏｒｍｃａｎｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇ
ｔｈｅＬＴＣ３３３１ｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｈｉｐ，ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｓｔｏｒｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｎｔｈｅｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅｂａｔｔｅｒｙ，ｂｕｔａｌｓｏｕｓｅ
压电陶瓷发电装置的能效优化系统设计
王曙光，李南，张小博
（１．西安邮电大学自动化学院，陕西西安７１０１２１；２．西安德赛控制系统有限责任公司，陕西西安７１００７５）
ＷＡＮＧＳｈｕｇｕａｎｇ，ＬＩＮａｎ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｂｏ
（１＿ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｘｉ ’ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ ’ ａｎ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ；
第３９卷第６期２０１７年１２月
压
电
与
声
光
Ｖｏ１．３９Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２０１７
ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ
文章编号：１００４ — ２４７４（２０１７）０６ — ０８５２ — ０４
２．Ｘｉ ’ ａｎＤｅｓａｉＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＣｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉ — ｃｉｅｎｃｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｃａｎｂｅｍａｘｉ —
中图分类号：ＴＭ６１９；ＴＢ５３５文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎｏｆＥｎｅｒｇｙＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｅｒａｍｉｃＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ