利用气缸进排气压力变化致正压电效应的气压能量转换器研究

This project researches on the energy transformation of pneumatic pressure energy into electric energy using the positive piezoelectric effect. The piezoelectric material can be excited by the changing pressure of the cylinder inlet and exhaust, and the pressure energy converter will be made. The research will provide a novel technology for the low-power wireless sensor in pneumatic system. Firstly, the output characteristic of pressure energy converter will be researched, which combines with the changing pressure induced by the process of cylinder inlet and exhaust in the pneumatic pipe. The rules of pressure distribution and the fluid influence on pressure energy converter will be analyzed. Secondly, Combining with the normal working condition of cylinder, the influence of energy effect on pressure energy converter will be researched, which is induced by changing pressure under the process of cylinder inlet and exhaust in the pneumatic pipe. The mechanical and electric models of pressure energy converter with multilayer composite structure will be established. The composite parameter influences of the converter will be analyzed. The energy conversion characteristics of mulit-piezoelectric patch with different connection will be researched. Finally, the experimental prototype of pressure energy converter will be developed. The output characteristics and energy effective of energy converter experimental researches will be studied. The storage circuit will be researched and the electric energy will be stored. This project aims at exploring the novel type of collecting micro energy for the wireless sensor in the pneumatic system. The positive piezoelectric effect will be used. The exhausted pressure energy will be recovered and converted into electrical energy. The service life of battery will be extended due to the development the related basic theory and technology, which will provide a novel direct energy supply for the stable working of low-power wireless sensor in pneumatic system.

本项目利用气缸进/排气压力变化导致压电材料产生正压电效应，研制气压能量转换器，开展气动压力能转化为电能的研究，为气动系统无线传感器供能提供新技术。研究内容将首先结合气缸进/排气过程中气动管路内部压力变化，研究气压能量转换器电能输出特性，分析压力分布规律及气体流态对能量转换器能效的影响。其次结合气缸正常工况，研究气缸进排气管路中压力变化对气压能量转换器能效的影响规律。建立多层复合结构气压能量转换器力学与电学模型，分析复合结构参数对转换器压电振子作动影响，研究多片压电片不同连接关系下压力能转化特性。最后研制气压能量转换器实验物理样机，实验研究气压能量转换器的输出特性及能效转换规律，制作储能电路并对转换的电能进行存储。本项目旨在面向气动系统传感器，利用压电材料的正压电效应，将浪费的气动系统压力能回收并转化为电能，发展相关理论与技术以延长蓄电池的使用寿命，为气动系统无线传感器持续工作提供新技术。

为了满足气动系统节能、环保、绿色、可持续发展等需求，气动系统的传感器功耗已经降至毫瓦级水平。随着装备的智能化、无线化水平要求的不断提高，使得无线传感技术与气动技术的融合也更为深入。因此实现能源的可持续供应成为了气动系统全面无线化的关键环节。本项目利用压电材料实现了气动系统压力能转化为电能，并为传感器直接供能、为电池蓄能的新技术。以气压能量转换器容积为研究对象，重点研究转换器容积对对气动系统的影响。建立了压电材料的非线性力电耦合模型，分析三维结构下的压电材料形状尺寸、约束条件、材料与基板的厚度比等参数对输出性能的影响，研究压电材料在气动载荷作用下的输出特性。利用有限元数值模拟软件对压电材料在气动载荷下的输出特性进行数值模拟。利用压电非线性有限元理论分析多种载荷工况的力电特性，得到了压电材料合理的压力分布与适宜的工作压力区间。研究了压电单元结构参数、电极分区对电量输出的影响，定量的给出结构参数与发电量之间的曲线，电极分区与电压电荷的曲线。分析了不同极化模式下压电材料的输出特性。开展气压能量转换器基本单元的加工与实验研究。设计样机并搭建实验测试系统，进行实验研究。提出了气压载荷对压电材料机电耦合系数的调控的方法，并证明了机电耦合系数调控可对输出的电量有影响。开展盘型压电片的串、并、混联研究工作。设计并加工了多组气压能量转换单元，搭建了实验测试系统，开展了实验研究工作。实验结果表明，20片压电片在频率为10Hz时，输出的有效功率为23.7mW。设计并制作了气压能力转换器样机。利用实验样机给电容电池充电，可有效延长其使用寿命，以压力传感器供电为例，在12V工作状态时的测试样机可延长电容电池约9%的使用寿命，在5V工作状态时可延长约50%的使用寿命。样机可实现磁性开关、压力传感器的供电，并使其正常工作。项目成果对延长蓄电池使用年限，保证气动系统无线传感器稳定持续工作具有重要的科学与应用价值。