气压传动有着成本低、效率高、污染少、可控性强等特点，在机械装备和工业自动化行业应用广泛[1]．无线传感网络是气动系统实现无线通信的基础，其采用的电化学电池供电存在能量有限、环境污染和须要定期更换等缺点，因此亟需寻求可替代品[2]．随着对风能、波浪能等绿色可再生能源高效利用的探索，压电式俘能技术成为能量收集技术研究的热点[3-4]，具有能量密度高、绿色环保、力电转换性能好和易于微型化等优势[5-6]．另一方面，在气动系统启停和换向等过程中，会产生频繁的气压冲击，若能采用压电式俘能技术将该冲击能量回收，形成电能储存，则具有极其重要的现实意义[7-8]．目前，气体激励式压电俘能器以悬臂梁和圆盘型压电陶瓷结构应用最为广泛[9-11]．文献[12]提出了一种基于气动弹性颤振的T型压电悬臂梁发电装置，在4 m/s的风速条件下产生的最大输出功率可达4.0 mW．由于管路的封闭性，传统的压电俘能器往往应用于低压系统，无法直接应用于气动系统中．为了克服该缺点，文献[13]提出了一种新型气动压电振动俘能器，当气压为0.5 MPa时，最大输出电压可达51.6 V．文献[14]针对高压气体环境的特点，提出了一种压电-气动隔振器，发现其输出电压随背压及气缸活塞振幅的增加而逐渐递增．文献[15]设计了一种阵列式盘型压电俘能器，压电片的电容和电荷量会随着并联压电片数量的增多而增加．此外，文献[16]还在定质量分数交变气体激励下进行实验，发现对压电片进行合理的并联可提高压电发电机的发电功率．本研究在已有压电俘能器基础上，设计了一种密封性能优异的气体激励式压电俘能器，可直接通过螺纹连接于气动系统中，并搭建了实验测试系统，分析了不同负载电阻和压力下俘能器的瞬态电压、峰值电压和峰值功率等俘能特性．1 俘能原理与实验测试系统1.1　俘能原理压电俘能器是利用压电陶瓷材料的正压电效应进行能量转化．当压电陶瓷受到外界载荷作用产生形变时，其内部会产生极化现象，同时在其两个相对表面上出现正负相反的电荷，从而形成电势差，在外界载荷消失后，其又会恢复到不带电的状态．图1所示为正压电效应示意图(图中：R为电阻；V为电压计)，当外界载荷作用的方向改变时，电荷的极性也会随之改变．10.13245/j.hust.211203.F001图1正压电效应示意图基于上述正压电效应，结合气动系统高压交变气体的特点分析，采用机械夹持方式更为可靠．机械夹持是用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，从而承受较大的气体交变载荷作用．1.2　俘能器结构本研究提出了一种基于压电陶瓷的外置型气体激励式压电俘能器，通过气动系统中交变气体的激励作用使压电陶瓷发生形变，从而使压电陶瓷产生电能．图2为压电俘能器的结构原理图，主要由壳体、压盖、O形圈、绝缘环、绝缘盖板、压电陶瓷片、绝缘底座等组成．绝缘环为聚四氟乙烯材料，绝缘盖板和绝缘底座为聚甲醛材料，以避免压电陶瓷正负极短路．压盖和绝缘环内部设有引线口，壳体和绝缘底座内部设有进气口．压电陶瓷片由金属振动片与压电陶瓷组成，其中压电陶瓷直径为25 mm，厚度为0.2 mm；金属振动片直径为50 mm，厚度为0.2 mm．绝缘底座上下两侧均有矩形截面凹槽，用于放置O形圈进行密封．绝缘底座上侧设有圆台状凹槽，以形成微型储气腔．由于绝缘底座、绝缘盖板、绝缘环、压电陶瓷片和壳体均在同一轴线上，且绝缘盖板和绝缘底座将压电陶瓷片压紧，因此产生的交变气体会以最快的速度作用在压电陶瓷上，使其中间部位产生最大形变，进而提高俘能效率．当俘能器工作时，高压气体通过进气口进入到微型储气腔内，在高压气体冲击过程中，储气腔内部气体压力不断变化，使压电陶瓷产生形变，由于压电陶瓷的正压电效应，会有大量的正、负电荷溢出至压电陶瓷的两端，形成电势差，生成电能．10.13245/j.hust.211203.F002图2压电俘能器结构原理1—O形圈；2—绝缘环；3—绝缘盖板；4—压盖；5—压电陶瓷片；6—绝缘底座；7—壳体；A—引线口；B—微型储气腔；C—进气口．1.3　实验测试系统实验测试系统原理如图3所示，主要由气动系统、俘能器样机和数据采集系统三部分组成，包括空气压缩机、调压阀、换向阀、压力传感器、压力表、气缸、西门子可编程控制器(PLC)、数据采集卡、俘能器样机等．压力传感器位于气缸和换向阀之间，采用星仪传感器CYYZ11，量程为1.0 MPa，精度为0.1%；数据采集卡采用研华USB-4711A．空气压缩机运转产生的高压气体，经调压阀调节后进入换向阀，通过PLC控制换向阀实现气缸周期性换向，产生交变压力，压力大小通过调压阀调节．压电陶瓷片的正负极通过导线引至负载电阻两端．压力传感器的压力及俘能器的电压经数据采集卡采集后，输入到个人计算机(PC机)上，并通过图形化编程语言Labview输出．10.13245/j.hust.211203.F003图3实验测试系统原理1—气源；2—调压阀；3—压力表；4—节流阀；5—换向阀；6—压力传感器；7—气缸；8—俘能器样机；9—负载电阻．测量过程如下：首先，换向阀失电，气缸伸出，通过调压阀使采集压力调定至所需压力；然后，换向阀得电，气缸缩回，压力传感器示数接近于零；最终，依靠换向阀不断换向，气体压力从零至设定压力交变，从而获取不同压力及负载电阻下的俘能特性．采集的电压为瞬态值，其最大电压为峰值电压，峰值功率为峰值电压的平方与负载电阻的比值．为保证实验数据的准确性，每组实验重复三次，峰值电压和峰值功率均对三次测量结果取平均值．2 俘能特性分析为获取俘能器的俘能特性，在压力0.1～0.4 MPa，负载电阻1 kΩ～10 MΩ下进行测试．压力变化周期为1.0 s，其中前0.5 s换向阀失电，气缸伸出；后0.5 s换向阀得电，气缸缩回．2.1　瞬态压力、瞬态电压分析换向冲击压力为0.4 MPa，负载电阻为5 MΩ时的瞬态压力pi、瞬态电压Ui与时间t的关系曲线如图4所示．在一个周期内，初始时微型储气腔与大气相通，在约0.1 s时换向阀失电，微型储气腔内部压力迅速上升，此时压电陶瓷突然受到高压气体的冲击力而引起形变，因此压电陶瓷的输出电压迅速下降，直至达到一个负峰值点；当储气腔内压力开始稳定在0.4 MPa时，压电陶瓷由于已达到最大形变而导致可溢出的电荷数量不再增加，故而俘能器的输出电压逐渐回归至零；在0.6 s左右时，气缸换向导致储气腔内部压力迅速下降，此时压电陶瓷突然失去来自高压气体的压力，由于金属振动片的回弹作用使压电陶瓷迅速复位，从而导致可溢出的电荷量瞬间增加，因此输出电压迅速上升到正峰值点；当储气腔内压力降至与大气压相同时，压电陶瓷复原到最初状态，此时可溢出的正电荷数量不再增加，因此压电陶瓷输出电压逐渐下降至零．此时一个周期结束，等待气缸换向进入下一个周期．10.13245/j.hust.211203.F004图4瞬态压力、瞬态电压与时间关系曲线因为压电陶瓷分布在金属振动片的一侧，以及压电俘能器中绝缘环的作用，使得压电陶瓷受压和回弹产生的形变效果不同，所以产生的瞬态电压正、负峰值也不同．当压力为0.4 MPa，负载电阻为5 MΩ时，压电陶瓷产生的最大正向输出电压为9.21 V，而最大负向输出电压为-6.25 V．2.2　不同负载电阻下的瞬态电压规律图5为当换向冲击压力为0.2 MPa和0.4 MPa时，不同负载电阻R下的瞬态电压曲线图(tr为升压时间)，从图中可清晰看出压力和负载电阻对输出电压的影响．如图5(a)所示，在0.2 MPa处，负载电阻为100 kΩ，510 kΩ和1 MΩ的正峰值电压分别为1.59，3.33和4.19 V，负峰值电压为分别为-0.61，-1.37和-1.98 V．由此可见：负载电阻越大，其产生的峰值电压越高，这是因为电流是通过电荷的定向移动而产生的，所以在相同压力变化下，压电陶瓷的形变量相同，导致可溢出的电荷量相同，因此产生的电流相同；随着负载电阻的不断增加，峰值电压也随之升高．图5(b)为0.4 MPa时负载电阻对瞬态电压的影响曲线，其变化趋势及原因与0.2 MPa时相同，100 kΩ，510 kΩ和1 MΩ的正峰值电压分别为2.93，6.44和7.84 V，负峰值电压分别为-0.92，-2.41和-3.40 V．10.13245/j.hust.211203.F005图5不同换向冲击压力下负载电阻对瞬态电压的影响 1—100 kΩ；2—510 kΩ；3—1 MΩ． 压电陶瓷在单位时间内所受力的大小会直接影响其单位时间的形变量，进而影响其电压的输出量．对比图5(a)和(b)可知：当换向冲击压力由0.2 MPa上升到0.4 MPa时，微型储气腔内压力变大，从而使压电陶瓷受到的冲击力变大，因此压电陶瓷形变量变大，所以在负载电阻不变情况下，压电陶瓷形变所产生的峰值电压会明显升高．此外，负载电阻的增加会导致电荷流动受阻，引起电压从0 V升至峰值电压的升压时间tr增加．例如，在0.2 MPa压力下，负载电阻为100 kΩ，510 kΩ和1 MΩ的正向峰值电压的升压时间分别为0.005，0.011和0.012 s．在0.4 MPa压力下，上述电阻的正向峰值电压升压时间分别为0.005，0.010和0.014 s．2.3　负载电阻对峰值电压及峰值功率的影响为进一步探究负载电阻对峰值电压Up的影响，在0.1～0.4 MPa的换向冲击压力下，对1 kΩ～10 MΩ等36个负载电阻的峰值电压进行测试．图6为负载电阻对峰值电压的影响曲线，各个负载电阻下峰值电压均会在小范围内波动，当换向冲击压力为0.4 MPa时，峰值电压最高可达到9.68 V．另一方面，负载电阻增加，压电陶瓷形变所产生的峰值电压升高，但负载电阻达到5 500 kΩ后，由于两极间的负载电阻比压电陶瓷的内阻大得多而导致负载电路处于开路状态，此时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变，因此输出电压将不再增加，此时的峰值电压会出现一个最大区域，此区域内峰值电压小范围内波动．当负载电阻持续增加到接近10 MΩ时，压电陶瓷内部可能出现导通，少量正、负电荷进行中和，因此输出电压略有降低．10.13245/j.hust.211203.F006图6负载电阻对峰值电压的影响 1—0.1 MPa；2—0.2 MPa；3—0.3 MPa；4—0.4 MPa． 图7为负载电阻对峰值功率Pp的影响曲线，当负载电阻小于70 kΩ时，输出峰值功率总体呈上升趋势，当负载电阻大于70 kΩ时，输出峰值功率趋于平稳，仅在某一特定范围内波动，而当负载电阻大于5 500 kΩ时，输出峰值功率总体又呈下降趋势．10.13245/j.hust.211203.F007图7负载电阻对峰值功率的影响 1—0.1 MPa；2—0.2 MPa；3—0.3 MPa；4—0.4 MPa． 综上所述，当负载电阻为70～5 500 kΩ时输出峰值功率达到较佳状态，当换向冲击压力为0.4 MPa时，最大输出峰值功率可达90.03 μW．因此，针对无线传感网络的供电需求，可参考峰值功率的最大区域范围，选用70～5 500 kΩ范围的负载，可达到较佳供电效果．3 结论本研究提出了一种外置型、密封性优异的气体激励式压电俘能器，并分析了换向冲击压力和负载电阻等参数对其俘能特性的影响，结果表明：a. 换向冲击压力越大，压电陶瓷形变量越大，其产生的电压也就越高，当换向冲击压力相同时，负载阻值越大，升压时间越长；b. 峰值电压随负载电阻的增大而增加，负载电路达到开路状态时的负载电阻临界阻值为5 500 kΩ，当负载电阻高于此阻值时，其输出电压基本保持不变，甚至会略有降低；c. 负载电阻在70～5 500 kΩ范围内会出现较高峰值功率，因此选用此范围内的负载电阻对气动系统无线传感器网络进行供电，可达到较佳供电效果．