陳永超，高敏，俞衛(wèi)博

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

壓電發(fā)電技術(shù)發(fā)展及其在引信中的應(yīng)用探索

陳永超，高敏，俞衛(wèi)博

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

壓電發(fā)電技術(shù)已取得了一定的研究進(jìn)展，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、道路等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但其在引信中的應(yīng)用仍僅局限于引爆雷管。針對現(xiàn)代智能引信對彈載電源的需求，提出了壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于引信需要解決的幾個問題，綜述了壓電發(fā)電技術(shù)的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其在現(xiàn)代智能引信中的應(yīng)用，認(rèn)為利用壓電發(fā)電技術(shù)為引信持續(xù)供電是可行的，且具有較好的應(yīng)用前景。

壓電發(fā)電；引信電源；引信

在引信中，壓電發(fā)電技術(shù)已被用于引爆雷管[1]。但在現(xiàn)代智能引信中除引爆雷管外，引信的信息接收和處理、起爆控制和安全控制、發(fā)動機(jī)點火控制、彈道修正控制以及引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥等均需有電源為其供電，這就為壓電發(fā)電技術(shù)在引信中的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。為了使現(xiàn)代智能引信對供電裝置的需求與壓電發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，本文對壓電發(fā)電技術(shù)及其在引信中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代智能引信需要解決的幾個問題

隨著新原理、新技術(shù)、新方法在以信息和控制為作用過程核心的智能彈藥和新型引信中的廣泛應(yīng)用，引信供電裝置除應(yīng)滿足可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、長儲性、耐高過載和抗電磁干擾等傳統(tǒng)技術(shù)要求外，還需具有快激活及全彈道供電等技術(shù)特點。因此，將壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代智能引信還需解決以下問題：

(1)引信壓電電源應(yīng)具備“三化”(通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化)、小型化和經(jīng)濟(jì)性等戰(zhàn)術(shù)使用特征

裝備的化學(xué)電池有多個系列多個型號，且每種型號有專門的裝備應(yīng)用背景，不能通用于其他裝備，因此壓電電源在發(fā)展之初就應(yīng)將“三化”作為其發(fā)展目標(biāo)之一，同時“三化”的實現(xiàn)有助于縮短裝備型號研制的周期。引信的微小型化是現(xiàn)代引信發(fā)展的方向之一，而電源的大小直接影響著引信的微小型化，且電源的小型化可為智能彈藥的設(shè)計提供更多的空間余量。引信電源的經(jīng)濟(jì)性如何則決定了戰(zhàn)略動員中的快速性、資源籌措來源的廣泛性。

(2)提高瞬態(tài)沖擊下的非線性機(jī)械能量的收集效率

彈藥發(fā)射時產(chǎn)生的沖擊能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)代引信工作所需的微量電能，但若要利用壓電材料將其直接轉(zhuǎn)換為電能目前還無法實現(xiàn)，因此根據(jù)引信特殊工作環(huán)境為壓電電源設(shè)計對應(yīng)的機(jī)械能量收集與儲存機(jī)構(gòu)，將瞬態(tài)沖擊機(jī)械能儲存起來并轉(zhuǎn)換為持續(xù)的能量形式(如振動能)，延長外部載荷隨壓電元件的作用時間，增加壓電電源的電能輸出，已成為壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于引信上的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以高的能量收集效率才能保證壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代引信的可能性。

(3)提高壓電換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能是壓電發(fā)電技術(shù)的核心。通過材料的優(yōu)選可在一定程度上提高壓電電源的發(fā)電性能，但仍不能滿足現(xiàn)代引信對壓電電源的需求。還需對壓電換能器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，充分利用壓電材料的各向壓電模式，保證其工作頻率與能量收集裝置頻率(如振動頻率)相一致，以提高其機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。

(4)開發(fā)適用于引信的電能收集與管理電路

由壓電換能器將機(jī)械能、動能等轉(zhuǎn)換而獲得的電能一般不能夠直接滿足引信電路的正常工作需求，在壓電換能器和耗能電路之間需要加入電能收集與管理電路。作為電路元件，其功耗，耐過載性，與換能器、耗能電路之間的連接，以及工作時的可靠性、穩(wěn)定性等都會對壓電發(fā)電技術(shù)在引信中的應(yīng)用產(chǎn)生較大的影響。

(5)保證全彈道供電

區(qū)別于傳統(tǒng)彈藥和引信，由高新技術(shù)催生的智能彈藥、新型引信的最大特點在于充分利用目標(biāo)信息、環(huán)境信息、平臺信息和網(wǎng)絡(luò)信息，通過控制電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在全彈道上的不同階段，完成安全控制、姿態(tài)檢測與控制、目標(biāo)探測與識別以及起爆策略控制。這要求引信壓電電源系統(tǒng)能夠在全彈道的不同階段，為信息采集部件、信號處理電路、安全控制、發(fā)火控制電路以及動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)供給工作電能。

2 壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 壓電振子發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 懸臂梁式壓電振子

懸臂梁式壓電振子以其諧振頻率低、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等特點成為種類眾多的壓電換能器中發(fā)展最為成熟的一種。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的單小彪等[2]對金屬基板材料、基板厚度與壓電片厚度對壓電梁發(fā)電能力的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬與有限元仿真分析，結(jié)果表明，當(dāng)壓電片與基板厚度比為0.5時，壓電振子輸出功率最大。

Liao[3]對一種壓電單晶片和兩種壓電雙晶片進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載和激振力頻率較低時，壓電單晶片產(chǎn)生的能量較高；當(dāng)負(fù)載阻抗和激振力頻率居中時，并聯(lián)壓電雙晶片輸出的能量較高；當(dāng)負(fù)載阻抗和激振力頻率較高時，串聯(lián)壓電雙晶片輸出的能量較高。

Jordi等[4]通過對歐拉-伯努利懸臂梁偏微分方程和線性耦合壓電方程的研究，建立了描述多層結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁機(jī)電耦合行為的方程，實驗表明，該模型與仿真結(jié)果基本一致，共振頻率僅有不到4%的誤差。

Mateu等[5]對矩形和三角形懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子進(jìn)行了對比研究，在懸臂梁固定端寬度和三角形懸臂梁厚度與矩形懸臂梁厚度相等的情況下，在受到相同的載荷作用時，三角形懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變更大，產(chǎn)生的電能更多。

2.1.2 圓形壓電振子

Ericka等[6]對圓盤式壓電振子發(fā)電性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在諧振頻率下，當(dāng)壓電振子受到加速度2 g的作用力，1 MΩ負(fù)載情況下，能產(chǎn)生24 V電壓，在相同頻率、加速度條件下，56 kΩ負(fù)載情況下最大輸出能量達(dá)1.8 mW。

王宏祥等[7]設(shè)計了一種圓錐形夾心式壓電換能器并進(jìn)行了實驗分析。研究結(jié)果表明，換能器的固有頻率與長度近似反比關(guān)系，與直徑成非線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，前蓋板圓錐角與固有頻率近似正比關(guān)系。

向陽等[8]對圓環(huán)形壓電陶瓷的徑向厚度振動進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出壓電陶瓷圓環(huán)的諧振和反諧振頻率方程，采用圖像法求解得到諧振頻率，與實際測量結(jié)果的誤差小于1%。

2.1.3 其它結(jié)構(gòu)形式的壓電振子

Xu[9]提出一種附加月芽型金屬結(jié)構(gòu)的換能器，首次給出了物理復(fù)合的研究成果。之后，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)材料實驗室的Newhamn等[10]對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)研究，提出鈸式(Cymbal)壓電振子，其基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。國內(nèi)學(xué)者也對該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了一系列研究[11-12]。

圖1 鈸式壓電振子

香港理工大學(xué)Wang等[13]研制出一種鼓形壓電振子，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在預(yù)緊力為0.15 N、周期作用力為0.7 N的條件下，鼓形壓電振子在諧振頻率590 Hz、負(fù)載18 kΩ上獲得11 mW的功率。當(dāng)預(yù)緊力變大時，諧振頻率減小，俘能功率增加。

圖2 鼓形壓電振子

2.2 能量收集轉(zhuǎn)換電路的發(fā)展現(xiàn)狀

Kim等[14]用一組全橋整流器和電容組成標(biāo)準(zhǔn)能量存儲電路對Cymbal換能器進(jìn)行了實驗研究。Han等研制了一個由整流器和DC-DC轉(zhuǎn)換器組成的能量收集轉(zhuǎn)換電路，理論分析和實驗測試結(jié)果表明，該電路比標(biāo)準(zhǔn)能量儲存電路的能量回收效率提高了400%。

經(jīng)過一系列優(yōu)化后相繼產(chǎn)生了SECE接口電路、串聯(lián)SSHI接口電路、并聯(lián)SSHI接口電路。Lefeuvre和Guyomar等對以上三種電路及標(biāo)準(zhǔn)電路進(jìn)行了比較，研究結(jié)果表明，當(dāng)激振力大小不變時，這四種電路的最大輸出功率相等；當(dāng)激勵振幅不變時，標(biāo)準(zhǔn)電路輸出功率最低，且與后續(xù)電路等效負(fù)載有關(guān)。而SECE電路回收功率不受負(fù)載阻抗的影響，且比標(biāo)準(zhǔn)電路最大回收功率提高了400%。在最優(yōu)負(fù)載條件下，兩種SSHI電路回收功率比標(biāo)準(zhǔn)電路提高了1 500%[15]。

南京航空航天大學(xué)的沈輝[16]提出了一種增強(qiáng)型同步開關(guān)回收電路(ESSH技術(shù)電路)。這種電路不僅比標(biāo)準(zhǔn)電路的回收功率提高了300%(提高倍數(shù)隨著應(yīng)用更低耗的電感而提高)，同時克服了原有串聯(lián)同步開關(guān)電感方法回收功率隨負(fù)載變化而變化的缺點。

3 壓電發(fā)電技術(shù)在現(xiàn)代智能引信中的應(yīng)用探索

雖然壓電發(fā)電技術(shù)在破甲彈等引信中已有應(yīng)用，但其僅起引爆雷管的作用。如何提高引信中壓電電源的發(fā)電量，使其在引信中發(fā)揮更大的作用，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

西安機(jī)電信息研究所[17]對引信用氣流諧振發(fā)電機(jī)壓電振子的頻率進(jìn)行了分析，對氣流諧振發(fā)電機(jī)進(jìn)行了實驗室模擬吹風(fēng)實驗，得出發(fā)電機(jī)的輸出與風(fēng)速成正比的結(jié)論。南京理工大學(xué)的溫都蘇[18]對引信振動式壓電發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，提出了利用功率因數(shù)校正電路使發(fā)電機(jī)輸出連續(xù)電流從而增加發(fā)電機(jī)能量利用率的方法。南京理工大學(xué)的徐偉[19]結(jié)合引信對電源的技術(shù)要求、MEMS工藝技術(shù)和壓電材料的發(fā)電特性等設(shè)計了一種小型的氣流激勵發(fā)電裝置，如圖3所示。

圖3 引信MEMS壓電膜片式氣流激勵電源結(jié)構(gòu)

南京理工大學(xué)的李映平[20]針對現(xiàn)代引信對電源的快激活特性要求，對多層壓電電源進(jìn)行了研究。多層壓電電源主要由多層壓電堆疊、充電電路和DC/DC變換器組成。通過研究建立其數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真，計算時采用了某37高炮的發(fā)射數(shù)據(jù)，當(dāng)儲能電容為30μF時，儲能電容的電壓在彈丸出炮口時達(dá)到18 V，儲存的能量為4.86 mJ，從彈丸發(fā)射到儲能電容電壓充電達(dá)到5 V的時間為250μs左右，其快速充電特性能夠滿足彈丸出炮口前供電的要求。

軍械工程學(xué)院的黎輝[21]設(shè)計并制作了一種引信自維持壓電電源，如圖4所示。該電源能夠?qū)⑼獠繘_擊載荷轉(zhuǎn)換為自維持激勵源，延長作用于壓電換能器上載荷的持續(xù)時間，并結(jié)合所設(shè)計的電能收集管理電路，將產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為適合引信的直流電，從而實現(xiàn)了壓電電源的持續(xù)供電。利用所搭建的實驗測試系統(tǒng)進(jìn)行了模擬實驗，結(jié)果表明，該電源激活時間＜3 ms，輸出電壓(5±0.1)V，輸出電流臆50 mA，持續(xù)供電時間＞3 s。

圖4 引信自維持壓電電源

國外研究方面，1999年Oberlin[22]取得發(fā)明專利，提出了利用彈丸發(fā)射時產(chǎn)生的后坐力作用在多層壓電疊堆上來發(fā)電的壓電式電源，可用于給引信低功耗處理電路和起爆電路供電。2002年C.Keawboonchua[23]對這種多層壓電電源進(jìn)行了計算機(jī)仿真研究和重物跌落實驗、彈丸發(fā)射沖擊實驗，在彈丸發(fā)射沖擊實驗中得到了58.2 A的峰值電流、28.4 W的峰值功率和517 kW/cm3的峰值比功率。在2007～2009年的美國引信年會上，紐約州立大學(xué)石溪分校相繼提出了幾種新型引信壓電發(fā)電裝置，并申請了專利，如圖5所示，當(dāng)彈簧彈性系數(shù)=5伊105N/m，等效質(zhì)量=4 g時，可使彈簧在受到13 000 g加速度過載時完全收縮，彈簧總變形量為1 mm，此時電源能夠收集約500 mJ的能量。2010年，Jahangir Rastegar提出了改進(jìn)措施以提高這種電源裝置的抗高過載能力，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖6所示，它由彈簧-質(zhì)量塊單元和成套的預(yù)載壓電發(fā)電單元兩個模塊構(gòu)成。當(dāng)電源承受過高載荷時，彈簧-質(zhì)量塊單元將接觸壓電發(fā)電模塊的外殼頂部，阻止彈簧進(jìn)一步前進(jìn)，從而防止壓電元件因承受過高載荷而損壞。

圖5 沖擊式壓電發(fā)電裝置

圖6 模塊化抗高過載壓電發(fā)電裝置

4 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)代智能引信對電源的需求，提出了壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代智能引信需要解決的問題，并對壓電發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其在引信中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。本文認(rèn)為利用壓電發(fā)電技術(shù)將彈藥發(fā)射時的沖擊能及彈藥飛行過程中的振動能轉(zhuǎn)換為電能為引信供電是可行的，但還需解決耐高過載、持續(xù)供電、微小型化等實際應(yīng)用問題。

[1]王衛(wèi)民，許有法，齊杏林，等.彈藥系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]單小彪，袁江波，謝濤，等.懸臂梁單晶壓電振子發(fā)電的理論建模與仿真[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2010，44(3)：528-532.

[3]LIAO W H.Sensitivity analysis and energy harvesting for a selfpowered piezoelectric sensor[J].Intel Mater Syst Struct,2005,16: 785-797.

[4]JORDI B P,MANEL P V.Electromechanical model of a multi-layer piezoelectric cantilever[C]//Proceedings of 7th International Conference on Thermal,Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in MEMS.Milano,Italy:7th International Conference,2006:1-7.

[5]MATEU I，MOLL F.Optimum piezoelectric bending beam structures for energy harvesting using shoe inserts[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2005，16:835-845.

[6]ERICKAM,VASIC D,COSTA F,et al.Energy harvesting from vibration using a piezoelectric membrane[J].Physique Coll,2005, 128:187-193.

[7]王宏祥，白洋，胡靜，等.圓錐型壓電換能器的動態(tài)設(shè)計與實驗研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012(3)：6-8.

[8]向陽，王麗坤.壓電陶瓷圓環(huán)徑向厚度振動分析[J].壓電與聲光，2012，34(4)：561-564.

[9]XU Q C，YOSHIKAWA S，BELSICK J R，et al.Piezoelectric composites with high sensitivity and high capacitance for use at high pressures[J].IEEE Tram UFFC,1991，38(6)：634-639.

[10]NEWNHAMN R E，DOGMA A，XU Q C.Flextensional“moonie”actuators[J].IEEE Ultrasonics Symposium，1993，44(2)：1270.

[11]楊慶峰，張愷.發(fā)射型鈸式換能器的研究[J].艦船電子工程，2011，31(11)：147-149.

[12]GUO S,GUO J F.Analysis of cymbal piezoelectric generator's effective piezoelectric strain constant[J].Journal of Mechanical& Electrical Engineering,2012,29(4):443-446.

[13]WANG S,LAM K H,SUN C L,et al.Energy harvesting with piezoelectric drum transducer[J].Applied Physics Letters,2007, 90:113506-113509.

[14]KIM H W,BATRA A,PRIYA S,et al.Energy harvesting using a piezoelectric cymbal transducer in dynamic environment[J].Japan Journal of Applied Physics,2004,43(6):178-183.

[15]HU Y,XUE H,HU T,et al.Nonlinear interface between the piezoelectric harvesting structure and the modulating circuit of an energy harvester with a real storage battery[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency control,2008,55(l):148-160.

[16]沈輝.基于壓電材料的振動能量回收電路及其應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[17]雷軍命.引信氣流諧振壓電發(fā)電機(jī)[J].探測與控制學(xué)報，2009，31 (l)：23-26.

[18]溫都蘇.引信氣流振動壓電發(fā)電機(jī)功率校正增能技術(shù)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[19]徐偉.基于壓電發(fā)電原理的引信微機(jī)電式氣流激勵電源設(shè)計研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[20]李映平.引信壓電發(fā)電機(jī)原理及試驗研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[21]黎輝，高敏.基于壓電陶瓷的引信物理電源的建模與設(shè)計[J].功能材料，2011，42：292-295.

[22]SEGAL D,BRANSKY I.Testing of a piezoelectric generator for in-flight electrical powering of projectile guidance systems[J].Ferroelectrics,Gordon&Breach Science Publ Inc,1997,202:81-85.

[23]KEAWBOONCHUAY C,ENGEL T G.Design,modeling,and implementation of a 30-kW piezoelectric pulse generator[J].IEEE Transactions on Plasma Science,Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2002,30(2):679-686.

Piezoelectric power generation technology and application in fuze

CHEN Yong-chao,GAO Min,YU Wei-bo

In the last few years,there was a surge of research in the area of piezoelectric power generation technology.Numerous doors were opened for power harvesting systems in practical real-world applications.But in fuze,the piezoelectric power generation was used to detonate primer only.Making full use of piezoelectric power generation in smart fuse was reviewed.Aiming at the requirement of smart fuze,several problems of piezoelectric power generation technology should be resolved before being used in smart fuze.The basic principles,development and application in smart fuze were overviewed.Using piezoelectric power generation technology to power for fuze durative was considered to have batter prospects.

piezoelectric power generation;fuze power;fuze

TM 91

A

1002-087 X(2015)03-0640-04

2014-08-05

陳永超(1989—)，男，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為引信系統(tǒng)分析與設(shè)計。