基于pvdf的压电能收集电路的设计

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1、基于PVDF的压电能收集电路的设计　　摘要：针对环境中压电振动能的收集问题，该文提出基于PVDF（压电薄膜）的压电能收集电路的设计。首先，需要对PVDF压电传感器的具体工作原理进行研究，制作一种可以将PVDF中压电能提炼出来的传感器；其次，将采集到的振动电压信号，通过AC-DC、DC-DC转换电路进行整流、滤波、升压；最后，通过充电电路给锂电池进行充电，将不易收集利用的压电能改变成稳定的电能存储在锂电池中，实现压电能的合理收集和利用。　　关键词：PVDF传感器压电能收集电路　　中图分类号：TM910文献标识码：A文章编号：1672-3791（2016）03（c）-003

2、0-03　　PVDF是一种新型的高分子材料，由于其具有压电常数大，频响宽，机械强度好，耐冲击，质轻，柔韧，声阻抗易匹配，易加工成大面积，不易受水和一般化学品的污染、价格便宜等优点。在力学领域、声学领域、光学领域、电子领域、测量领域、红外领域、安全报警领域、医疗保健领域、军事领域、交通领域以及信息工程领域的应用非常广泛[1]。　　随着PVDF的广泛应用，在从环境中如何收集压电能极具研究价值。该文主要对PVDF传感器的工作原理进行研究，针对换种中压电振动能的收集问题，从应用角度出发，对硬件电路进行研究，其中包括AC-DC、DC-DC和充电电路等收集电路进行设计研究[2-3]

3、。　　1PVDF的工作原理及制作6　　该文采用的PVDF压电薄膜，其具有3层结构薄膜，如图1所示。在两个表面已经覆了很薄的铝电极。由于PVDF压电薄膜的使用温度范围为-40℃～80℃，因此，在焊接的过程中应特别注意温度的变化，如果温度大于80℃，则PVDF压电薄膜会达到其居里温度，进而带来晶体结构变化，从根本上造成压电性变化甚至是消失。所以，不可以采用常规形式的焊接方式引出PVDF压电薄膜电极。在实际实验操作期间，需借助导电银胶方法引出导线电极[4]。　　在实验的过程中，利用PVDF压电薄膜制作压电传感器的核心元件，其主要过程分为形状确定、薄膜切割、电极引出和加保护层。

4、根据实验要求确定薄膜的大小并进行裁剪，在裁剪过程中应避免边缘毛刺的产生，注意边缘的平整度，以避免因毛刺的产生而导致的上下电极短路。　　由于导电银胶的粘着力与粘着面积参数有关，因此，该文选择用薄铜片代替铜导线开展实验。其作用在于可以最大限度增加其与电极之间的实际接触面积，进一步增大粘着力。此外，由于薄铜片相对来说比较柔软，可以借助自身弯曲形变将作用在导线中的相关应力进行有效转化，不会直接将其传递到电极以及导线间的连接位置中，从而造成导线脱落。6　　该文使用电烙铁将导线与薄铜片焊接在一起，然后采用沙皮纸进行薄铜片表面打磨处理与擦净处理，之后再把导电银胶按照规范化程序涂抹到薄

5、铜片上。此外，为了在一定程度上确保粘结可靠，需要在导电银胶涂抹期间，将涂层控制的越薄越好。因PVDF压电薄膜表面电极导线粘接地方一般情况下都是裸露在外的，非常容易在实际使用期间遭受到破坏，进而影响其正常工作。故，可以在PVDF压电的表面采用胶带覆盖，这样可以防止表面引出导线被损坏[5]。制作好的压电薄膜传感器，如图2所示。　　2整体方案设计　　整体方案如图1所示，由PVDF压电薄膜、收集电路和锂电池三部分组成。其中收集电路包括四倍压整流电路、DC-DC转换电路和充电电路。当PVDF压电薄膜，在环境中受到一定的频率震动的时候，传感器会产生一定的压电信号，经过测试发现，经过

6、测量传感器所产生的压电信号为峰值为1.5V的正弦波。将此压电信号经过四倍压整流电路就会形成AC-DC的转换。得到的直流信号经过DC-DC转换电路将整流得到的电压转换成为能够驱动充电电路的电压，输送给充电电路，最后实现对锂电池的充电。　　3PVDF压电薄膜收集电路的设计　　3.1四倍压整流电路的设计　　该文设计的压电能收集电路AC-DC模块为四倍压整流电路，如图2所示。当PVDF压电薄膜，在环境中受到一定的频率震动的时候，传感器会产生一定的压电信号（PIEZO），经过测试发现，所产生的压电信号为峰值为1.5V的正弦波。而且压电信号（PIEZO）具有极性，当PIEZO为负半

7、周时，将二极管D1以及D3进行导通，然后使电容C1与C3被充电，电压标注为Vm。但是当PIEZO是正半周的时候，其二极管D1与D3将会被截止，而且电容C1与C3也会被停止充电，当二极管D2导通的时候，C1电压将会不断增加，C2在充电量上将达到原来的大约2倍左右。同样，C4也被充到2Vm。由于C2和C4不能放电，这就使接在其两端的超级电容器C5保持直流电压为46Vm。实际工作中，由于每个二极管不可避免的存在正向电压降，C5上的直流电压不能完全的达到4Vm，但是非常接近。接下来的正半周期，C2和C4对负载放的电，通过C1和C2来补充。因此，四