基于壓電技術的保暖鞋的研究

摘 要：隨著科學技術的不斷發(fā)展，基于壓電材料發(fā)電的技術日益純熟，用此項技術來創(chuàng)新發(fā)明的產(chǎn)品越來越多。本文介紹的即是基于壓電技術基礎上的一種電暖鞋的創(chuàng)新思路，其獨特的設計有效的解決了生活中遇到的一些實際問題。

關鍵詞：創(chuàng)新設計 壓電技術 電暖鞋

中圖分類號：TM564文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0061-01

鞋子是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵罚S著生活水平的不斷提高，人們對鞋子的要求不僅僅從美觀上升到了舒適，甚至追求其實現(xiàn)更多的功能來滿足人們對高品質(zhì)生活的追求。你是否還在為冬天的鞋子抵擋不住嚴寒的天氣而煩惱？你是否還在為鞋子不停的汗?jié)穸鴳n愁？立足于此，我們設想了一款以保暖為主要功能的電暖鞋。

1 原理

1.1 壓電材料發(fā)電原理

當一陶瓷片在壓力作用下上下表面產(chǎn)生電荷，其相當于一個電容，電容在其兩極產(chǎn)生電荷后就儲存了一定能量。從電學角度來看，壓電片可以簡化為一個正弦電流源ip（t），與內(nèi)在的電極電容Cp并聯(lián)，如下所示。假設電流源和電極電容Cp恒定，負載可調(diào)。由戴維南等效定理，該電路中阻抗為：

當時，即外接負載電阻和壓電片等效阻抗相等時，負載吸收的能量最大。

1.2 能量傳輸和利用效率分析

當作用在壓電片上的力消失后，壓電元件產(chǎn)生的電荷立即消失。因此，需要外接電容對壓電元件產(chǎn)生的電荷進行儲存。設壓電元件間電容為Cp，外接電容為C，產(chǎn)生的電能在兩者之間再分配，根據(jù)傳輸結束后電壓相等的關系，設C=aCp，其中，C為外接電容；Cp為壓電元件間電容；。則電容C上儲存的能量與產(chǎn)生能量的傳輸效率：

當，得a=1到。即C=Cp時，傳輸效率最大，此時n=25%。

1.3 能量收集過程

1.3.1 能量收集原理

壓電元件產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的， 是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，由于受力的方向不同，極化方向不同，故而產(chǎn)生的電流方向也不同，使得壓電陶瓷產(chǎn)生的是微弱的交流電。在能量收集過程中，我們將壓電陶瓷與整流電路相連，將交流轉(zhuǎn)化為直流。由于產(chǎn)生的電壓與壓力有關，壓力的大小直接影響電壓的大小，所以產(chǎn)生的電能是不穩(wěn)定的。為了收集產(chǎn)生的電能，我們將電能與充電芯片相連，產(chǎn)生恒流對充電電池進行充電。

1.3.2 能量收集電路

我們使用CN3063芯片作為控制芯片對鋰電池進行充電，運行無需微處理器控制，可以將一節(jié)鋰電池恒流充電達500mA。當輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3063開始對電池充電，CHRG管腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓低于3V，充電器用小電流對電池進行預充電。當電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓超過3V時，充電器采用恒流模式對電池充電， 充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻RISET確定。

1.4 電路控制

電路控制部分主要由51單片機（stc89 c51）、傳感器、執(zhí)行器和隔離電路組成。STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K Bytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。本項目使用的是溫度和濕度傳感器，測濕電路與單片機相連，利用覆蓋在基片上的一層感濕材料制成的膜來吸附水蒸氣導致濕敏電阻電阻率和電阻值發(fā)生變化的特性來測試濕度。通過溫度傳感器來檢測周圍溫度的變化從而形成控制信號。執(zhí)行器采用的是熱電偶，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后 ， 即可知道被測介質(zhì)的溫度。由半導體管敏感器件和發(fā)光二極管構成光電隔離電路，工作時把輸入信號加到輸入端，使發(fā)光管發(fā)光，光敏器件在磁光輻射下輸出光電流，從而實現(xiàn)電光點的兩次轉(zhuǎn)換。

2 組合方式

為增強發(fā)電裝置的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子并聯(lián)或者串聯(lián)的方式。

由于壓電振子在每個振動周期產(chǎn)生的能量很小，且輸出為高電壓低電流的交流電。在實驗中采取壓電陶瓷并聯(lián)的方式，可以獲取更大的電流。同時，在能量收集電路中，外接電容與壓電陶瓷極間電容相等時，能量傳輸效率最大，為25%。在壓力一定的情況下，壓電陶瓷裝置的發(fā)電能力隨著片數(shù)的增加呈現(xiàn)遞增態(tài)勢，因此，也可以增加壓電陶瓷片數(shù)，來提高輸出功率。

3 結語

通過以上設想，理論上能把人行走過程中的一部分能量轉(zhuǎn)化為電能，達到節(jié)能的目的。盡管現(xiàn)在的設計還不夠純熟，但隨著科學技術的不斷更新和發(fā)展，新材料的不斷涌現(xiàn)，定會使發(fā)電效率大大的提高，做出真正實用的物品。

參考文獻

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