基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋分解
用身体的能量“充电”
振动 的能量将 会让磁 铁运动 ，线 圈中也就 产生了
电流 。它能够让那 些安 装在难 以到达 的位置 的传 感器不用担心没 电的问题 ，也不用预先铺设 电力 线 。它 的发明者希 望它 能有更多 的用途 ，例 如通 过人体 内天然 的振动源一 脏 一 来为体 内植 入设备供 电。虽然 现在 还没有成型的产 品，但 是 理论上的确能够实 现—— 只是 ，它 的体积还得 进
池大小 的发电设备。这种 叫做 Ｖｂ Ｂ （ Ｇ 振动发 电 电池 ）的小 东西是为了家用 电器设计 的 ，特别瞄
准 了那 些 耗 电量 低 、 只 是 偶 尔 使 用 的小 工 具 。 在
和标准 五号和 七号 电池完全相 同的外壳里藏着振 动发 电机和储 电电容 ，只需像摇体温 计那样摇上 几秒钟 ，就足 以把 电视上的频道换个遍 。而韩国 的开 发者最 近开发 出将声波 的振动转 化成 电能的
一
植入 一个小发 电机 。也许 把发 电机植入鞋子 或者
衣服 会是更好的主意 ，虽 然它 们看起来可能会像 是 国产凌凌漆＊ 中周 星驰的那些怪异装备 。实 际上 ，它们 已经 出现在生 活当中了。
步缩小 ，而输 出的电力还要更强才行 。这可 能
大部分 烟 民都 会 随身携带 一个小 发 电设 备 ， 只要拆 开 一次 性 打火 机就 能 看到 。当 按 下开 关 时 ，导 线会打 出微小 的蓝色电火花 ，而它 的能量 来 自于－ ／ 片压 电陶瓷。这 种特殊的 晶体结构早 －Ｊ ， 在 １ ０年前就被人们 发现 ，当它的形状变化 的时 ３
为了应对 Ｈ益紧迫 的
压电复合材料
压电复合材料摘 要: 从压电材料的压电效应入手, 介绍了压电材料的分类及结构组成。
针对不同压电材料在生产实践中的应用情况, 列出现阶段压电材料的制备技术。
综述了近年来压电材料的研究现状, 并系统介绍了压电材料在各个领域的应用和发展。
关键词：压电材料；压电效应；制备工艺；应用Abstract: This paper begins with the piezoelectric effect and introduces the classification and structure of piezoelectric materials. Considering the application of different piezoelectric materials in the production practice, preparative techniques of piezoelectric material in the current stage are listed. Research actuality of piezoelectric materials is summaried. Application and development of the piezoelectric materials in various Fields are also introduced systematically.Keywords: piezoelectric material; piezoelectric effect; preparative technique; application1.引言自20世纪出现压电材料以来, 因其独特性能,逐渐成为材料领域中的重要组成部分。
随着电子、导航和生物等高技术领域的发展, 人们对压电材料性能的要求越来越高。
目前, 研究和开发压电材料主要是从老材料中发掘新效应, 开拓新应用; 从控制材料组织和结构入手,运用新工艺制备各种新型压电材料。
压电陶瓷性能参数解析
设有薄长片的极化方向与方向3平行，而电极面与方向3垂直。
在短路即电场E=0的条件下，薄长片受沿方向1的应力T1的作用时，压电常数d31与电位移D3，应力T1之间的关系如下：
在机械自由，即T=0的条件下，薄长片只受到方向3的电场强度E3的作用时，压电常数d31与应变S1及电场E3之间有如下的关系：
(1-25)
(1-26)
由此可见，由于选择不同的自变量或测量时所处的边界条件不同，可得d、g、e、h四组压电常数，而其中用得最多的是压电常数d。考虑到压电陶瓷材料的各向异性，所以它有如下四组压电常数：
d31=d32,d33,d15=d24
g31=g32,g33,g15=g24
e31=e32,e33,e15=e24
SE11，SE12，SE13，SE33，SE44，SD11，SD12，SD13，SD33，SD44。
同理，13，CE33，CE44，CD11，CD12，CD13，CD33，CD44。
（4）机械品质因数
机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生损耗的原因在于内摩擦。机械品质因数可以根据等效电路计算而得：
根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。
（2） 介质损耗
介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为
山东大学科技创新大赛获奖名单
10
自主水下机器人系统
陈梦星康凯灿麦宇庭赵黎明张俊文刘飞许涛肖亮朱敏强
一等奖
9
11
人工生物瓣膜动态场数值模拟
叶新、王晓燕、冯少川、伊涛
一等奖
4
12
简易家庭护理机器人
程亮，崔洪星，赵骏达，崔强，陈挺，刘亚男，徐杰
一等奖
7
13
多功能脚踏式环保料理机
刘伟虔刘海峰岳鸿志魏增强冯淑敏王成钊孔蕊
一等奖
7
14
基于AVR单片机的晶体管测试仪
三等奖
5
103
可测脉搏型健康手表
肖阳，张迪，李振宇，周剑，倪羽茜
三等奖
5
104
基于labvieW的温湿度监控系统
左健房成关婧玮郑东
三等奖
4
105
激光竖琴
周剑，李振，姜力茹，郭朋，汪洋
三等奖
5
一等奖
5
5
校车查询系统
崔现斌李冬冬李振
一等奖
3
6
旋转LED
周冉冉、姚佳毅、王鸿飞、吴欲晓、陈若冰
一等奖
5
7
基于51单片机的自行车车载系统
李赛锋、李吉成、李超、刘延朋
一等奖
4
8
智能小区管理演示系统
时晓光、苗忠海、彭勇、李冬冬、武亚文尹睿、张广乐
一等奖
7
9
实用非接触式开关控制设计
彭竞宇王良伟宋世阳
一等奖
二等奖
6
30
基于无线的自来水抄表系统
杨关锁曾新贵颜发才唐苗马兆雪
二等奖
5
31
物联网时代的全功能安防系统
王绪泉卢鹏琰宋世阳
二等奖
3
脚踏式地板发电机的设计与分析研究
脚踏式地板发电机的设计与分析研究摘要：脚踏式地板发电机是一种地板式人体重力发电装置，今天发电的方法多种多样，主要有火力、水力、原子能以及小规模太阳能和风力。
其中，水力、风力、太阳能受自然因素的影响较大，火力发电和核能不仅需要大量消耗非再生能源，还会带来一定的环境问题。
每天面对严重的能源问题，出现了多种节能及环保设备。
脚踏形态的地板发电机将人的体重在行走过程中产生的小能量收集起来，转换成电能，用于日常生活。
具有结构简单，设计合理，无污染，有效减少电能消耗等优点。
关键词：发电机；压力能；能量转换；0 引言随着社会的发展和人类的进步，国际竞争日趋激烈。
解决能源问题是可持续发展的基本前提。
结果，寻找新事物变得越来越重要。
对能源的需求也慢慢地考虑到环境的变化，能源的清洁度成为能源可利用性的大的指标。
与传统的发电形式相比，脚踏式地板发电机更环保、更清洁，获得到能源的方法也更简单，符合当下时代的环保主题。
一种地板向四种压力发展，但仍有丰富的地板弹性，安装在气缸和地板上的气缸装置，推气罐和气阀布出口，由伸缩装置提供提供压缩空气发电机，连接连接地板、地板和燃气缸的装置。
人体在行走时，可以有效地收集体重并转换成电能，供日常生活使用。
具有结构简单、设计合理、无污染、有效减少电能消耗等优点。
在人堆的世界里，人每隔一段距离就要行走，在行走的过程中，地面无法有效地再现巨大的重力位置。
我的创新是，有效利用人在地面行走时产生的重力势能，将其转换为电能。
有效适用于人员流动量大的场所(楼梯、道路)，通过连接道路可以减少长距离传输带来的烦扰。
1.脚踏式地板发电机的图形设计本论文研究了人体踩在发电板上产生的振动，通过步进装置的设计，使振动以最大的效率转换成机械能量，这取决于发电板的表面组成设计。
基本设计创意的思想上多数图像(方形、三角形等,分别为微观因素)组成的,能源转换装置(机械装置)为了自己能源转换成几何图形的安排各折旧下面图1脚踏式地板发电机系统的整体设计的图表设计的。
取暖鞋的原理
取暖鞋的原理取暖鞋是一种能够为脚部提供热量的鞋子。
它们通常由电热系统或化学反应系统驱动，以提供足够的热量来保持脚部温暖并防止寒冷。
其中一种常见的取暖鞋是通过电热系统来为脚部供热。
这种鞋子内部内置了电热设备，通常是电热丝或发热膜。
这些电热设备通过连接电源来产生热量，并通过导热的材料将热量传输到脚部。
传输热量的材料通常是柔软而保温性能较好的材料，如绒面皮、绒布或人工毛皮。
这些材料不仅能够有效地将热量传输到脚部，还能够保持脚部的温暖。
另一种常见的取暖鞋是通过化学反应系统来提供热量。
这种鞋子内部含有化学热包或热储存物质。
当需要取暖时，用户只需要按压或活性化热包或物质，它们就会开始进行化学反应，产生热量。
这些化学反应通常是通过基本的氧化还原反应来实现的，产生的热量会被材料围绕脚部散发出去，从而保持脚部的温暖。
这种取暖方式不需要电源，非常适合户外活动或没有电力供应的场合。
不管是电热系统还是化学反应系统，取暖鞋的原理都是将热量传递到脚部。
这样的设计目的是为了提供足够的热量以保持脚部的舒适温暖。
有些取暖鞋还具备调节温度的功能。
它们通常内置了温度控制器，用户可以根据自己的需求调节鞋子内部的温度。
这种设计很有用，因为不同场合和天气条件下，脚部需要的温暖程度是不同的。
一些高端的取暖鞋甚至可以通过远程控制或智能手机应用程序来调节温度。
此外，为了确保取暖鞋的安全性能，它们通常会内置一些保护装置。
例如，电热系统的取暖鞋会有过温保护装置，防止过热。
化学反应系统的取暖鞋会有限制化学反应的装置，以免产生过多的热量。
这些保护装置在设计中起到了至关重要的作用，能够确保取暖鞋的使用安全。
综上所述，取暖鞋通过电热系统或化学反应系统提供热量，保持脚部的温暖。
这种设计不仅能够提高脚部的舒适度，还能够防止脚部受寒冷天气的伤害。
不同型号的取暖鞋可能采用不同的原理，但它们都致力于为用户提供舒适的取暖体验。
基于压力传感器计步鞋设计
基于压力传感器计步鞋设计1.硬件组成部分以MSP430f533为主控模块，主要完成对从压力传感器接收到的信号进行处理，从而完成计步。
选择LDT0作为压力传感器，柔韧性好，强度大，采用PVDF薄膜制成，高灵敏度，高介电强度，低声阻抗，高稳定性，特别适合这种小空间测力。
蓝牙作为无线传输模块，单片机串口模式通过蓝牙串口模块与蓝牙适配器进行左右鞋子的无线通信。
2发送端的硬件设计从LDT0压力传感器提取出来的是电荷量，设计电荷量转换为电压量的电路，在经过适当放大，滤波输出到门限电压比较电路，从而消除不同人群对鞋底压力大小不同带来的计步误差。
再通过MSP430f533主控模块处理数据，将数据通过蓝牙串口模块与蓝牙适配器进行通信。
接收端主要由电源模块，MSP430f533主控模块，蓝牙适配器接收模块跟显示模块组成。
通过蓝牙适配器接受数据，传送到MSP430f533主控模块处理数据，从而在显示器件上进行显示。
4 获取脚部加速度信号并进行处理从LDT0压力传感器发出的信号，通过D/A转换得到数字信号，经过放大，滤波，后整形。
整形电路由低功耗，低失调的电压比较器LM339组成，当两个电压输入差大于10mv，能准确的保证输出得到比较标准的能反应步数的方波，输入到单片机MSP430f533的I/O口，根据信号的特点进行计步，同时控制蓝牙模块将数据发送出去。
5计步模块（1）通过计时器t0工作在1方式产生50ms中断，通过中断查询方式判断输入管脚的电平，当出现下降沿后重新出现高电平步数加一。
由于人走路的频率相对较低，相对来说输入高电平的状态持续时间也较长，如果用低电平作为检测，则可能一步计为多步，所以检测电平的上升沿或者下降沿作为计步参考（2）运用外部中断，下降沿触发，在中断服务程序中设计算法（3）运用单片机I/O口，传感器发出的信号经过处理接入I/O后，定时扫描，先检测到高电平，在检测到低电平时，计数。
（4）人在走路时会对鞋底产生基于某一个基准的压力值，并且步行周期内会出现压力大小为0点，在设定周期内受到非零值变化到零值，再由零值变化到非零值，进行计步。
电介质材料压电热释电铁电介质材料
剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
自由电荷 束缚电荷
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
旳自由电荷示意图
22
假如在陶瓷片上加一种与极化方向平行旳压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内旳正、 负束缚电荷之间旳距离变小，极化强度也变小。所以， 原来吸附在电极上旳自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一种膨胀过程)，片内旳正、负电荷之间旳距离变大， 极化强度也变大，所以电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正 压电效应。
早在 1984 年，美国科学家将 PVDF 薄片安顿在生物体上，以生 物体呼吸时肋骨伸张运动所产生旳能量作为研究基础，将生物体 运动时产生旳能量转换为电能，驱动外部设备。压电式发电器装 置固定在狗肋骨上，利用狗旳自然呼吸可产生 18V 电压，能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状，同步设计更适合贴在动物 肋骨上旳辅助设备，最终测试发觉输出能量能够到达1mW。
十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。
1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生 电旳行为，第一次观察到温度变化引起旳电极化现象。
1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电旳行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
1947 年美国旳 Roberts 发觉了钛酸钡（BaTiO3）旳压电性，使得 多晶材料得到发展。取得压电性所需旳极性能够经过临时施加电场 旳措施，从一块各项同性旳多晶陶瓷得到。
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3、在充电电容的选择上选用超级电容，因为 超级电容相比较于普通的电解电容具有容量 大、循环使用寿命长、不易损坏等优点，适 合鞋底这样复杂的环境。
谢谢观看！
整流电路
压电振子在交变的外力或有规则的冲击作用 下，其电压和电流都呈现交变特性，而给微 型电池充电需要稳压直流，故需对其进行整 流。为了尽可能提高输出电压，设计了三倍 压整流电路
超级电容电路
将压电振子产生的电能用超级电容储存的电 路
稳压充电电路
压电陶瓷发电装置产生的电压和电流都不稳 定，瞬时电压存在着突变，而微型电池充电 时需要的电源为恒压恒流，这就需要把突变 的电流和电压转化为恒定的。
整体结构示意图
发压 电电 装陶 置瓷 整 流 电 路 超 级 电 容 电稳 电压 路充 微 型 电 池 的需 设要 备供 电
基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋共有五 部分构成，分别为压电陶瓷发电装置、整流 电路、超级电容、稳压充电电路和微型电池
压电效应原理图
具有压电效应的晶体称为压电晶体 当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变 后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正、负电 荷
当电池充好电以后，我们可以利用数据线连 接好手机与电池，给手机电池充电了，这样 我们就不用担心外出旅游手机没电了。
创新点
1、因为利用压电陶瓷材料的压电效应进行电 能转换国内对此研究才刚刚开始，并且在鞋 底这么小的空间内装上发电装置，压电陶瓷 材料也能有效的节约空间。 2、单片压电陶瓷片发电能力较弱，并且已经 分析得出只有当压电陶瓷极间电容和存储电 容相等时才能达到最大的能量传输效率。因 此为了解决上述两个问题采用多压电陶瓷片 并联的方式。
在国内对这种鞋子的研究还不是很普遍，最 常见的是利用电磁感应原理，在鞋子内装上 一个感应线圈，利用电磁感应来发电，此种 技术相对简单，并且鞋子的制作成本也低， 但是如果在鞋子内装上一个线圈会加重鞋子 的重量。
还有一种方法就是利用压电陶瓷来发电，这 种技术相比较于利用电磁感应发电说，鞋子 的重量会大大减轻，但发电能力有限，可以 通过多压电片串并联的方式获得所需的电压 和电流。 本文就是利用压电陶瓷发电的方式。通过在 鞋底夹层中放入一块压电陶瓷片，走路时脚 跟对鞋底的压电片产生压力，通过正压电效 应将压力能转化为电能，将电能储存在微型 电池中。
基于压电陶瓷发电技术的走路 发电鞋
可以给电池充电的鞋子
背景
社会的发展引起一系列的环境问题，传统的 化石燃料对环境污染严重，且日益枯竭，寻 找新能源成为当务之急。环境周围的能量比 如振动能，噪声却很少关注，尤其是人体运 动产生的振动。
作品国内外研究现状
美国研究人员充分利用人体动能，开发一种 装置，放入鞋内，边走路边发电，他们这种 技术的原理是充分运用了现在的一种先进的 能量收集技术——逆向电润湿（利用让微型 液滴流动的能量转化为电能） 另外在美国研究人员还研究出了一款利用病 毒发电的新型发电器，这款和普通纸张一样 轻薄的发电器上覆盖有经过特殊处理的无害 病毒，在放在鞋子里后，这种病毒就能够把 人们走路时产生的动能转化为电能。
压电陶瓷发电装置介绍
压电陶瓷发电装置的核心是压电振子 由于陶瓷材料很脆，所以一般不直接将压电 材料作为压电振子来使用，而是将压电陶瓷 和某种金属弹性材料粘合在一起共同构成压 电振子。
压电陶瓷发电装置的电学等效模型
当压电振子在压力作用下上下表面产生电荷，其相 当于一个电容，电容在其两极产生电荷后就储存了 一定的能量。 压电振子可以简化为一个正弦电流源，与内在的电 极电容并联