基于压电技术的保暖鞋的研究

摘 要：随着科学技术的不断发展，基于压电材料发电的技术日益纯熟，用此项技术来创新发明的产品越来越多。本文介绍的即是基于压电技术基础上的一种电暖鞋的创新思路，其独特的设计有效的解决了生活中遇到的一些实际问题。

关键词：创新设计 压电技术 电暖鞋

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0061-01

鞋子是人们日常生活的必需品，随着生活水平的不断提高，人们对鞋子的要求不仅仅从美观上升到了舒适，甚至追求其实现更多的功能来满足人们对高品质生活的追求。你是否还在为冬天的鞋子抵挡不住严寒的天气而烦恼？你是否还在为鞋子不停的汗湿而忧愁？立足于此，我们设想了一款以保暖为主要功能的电暖鞋。

1 原理

1.1 压电材料发电原理

当一陶瓷片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能量。从电学角度来看，压电片可以简化为一个正弦电流源ip（t），与内在的电极电容Cp并联，如下所示。假设电流源和电极电容Cp恒定，负载可调。由戴维南等效定理，该电路中阻抗为：

当时，即外接负载电阻和压电片等效阻抗相等时，负载吸收的能量最大。

1.2 能量传输和利用效率分析

当作用在压电片上的力消失后，压电元件产生的电荷立即消失。因此，需要外接电容对压电元件产生的电荷进行储存。设压电元件间电容为Cp，外接电容为C，产生的电能在两者之间再分配，根据传输结束后电压相等的关系，设C=aCp，其中，C为外接电容；Cp为压电元件间电容；。则电容C上储存的能量与产生能量的传输效率：

当，得a=1到。即C=Cp时，传输效率最大，此时n=25%。

1.3 能量收集过程

1.3.1 能量收集原理

压电元件产生的电荷是瞬间和交替的， 是以不规则的随机突发形式提供能量，由于受力的方向不同，极化方向不同，故而产生的电流方向也不同，使得压电陶瓷产生的是微弱的交流电。在能量收集过程中，我们将压电陶瓷与整流电路相连，将交流转化为直流。由于产生的电压与压力有关，压力的大小直接影响电压的大小，所以产生的电能是不稳定的。为了收集产生的电能，我们将电能与充电芯片相连，产生恒流对充电电池进行充电。

1.3.2 能量收集电路

我们使用CN3063芯片作为控制芯片对锂电池进行充电，运行无需微处理器控制，可以将一节锂电池恒流充电达500mA。当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时，CN3063开始对电池充电，CHRG管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电， 充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET确定。

1.4 电路控制

电路控制部分主要由51单片机（stc89 c51）、传感器、执行器和隔离电路组成。STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。本项目使用的是温度和湿度传感器，测湿电路与单片机相连，利用覆盖在基片上的一层感湿材料制成的膜来吸附水蒸气导致湿敏电阻电阻率和电阻值发生变化的特性来测试湿度。通过温度传感器来检测周围温度的变化从而形成控制信号。执行器采用的是热电偶，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后 ， 即可知道被测介质的温度。由半导体管敏感器件和发光二极管构成光电隔离电路，工作时把输入信号加到输入端，使发光管发光，光敏器件在磁光辐射下输出光电流，从而实现电光点的两次转换。

2 组合方式

为增强发电装置的发电能力，可以采用多片压电振子并联或者串联的方式。

由于压电振子在每个振动周期产生的能量很小，且输出为高电压低电流的交流电。在实验中采取压电陶瓷并联的方式，可以获取更大的电流。同时，在能量收集电路中，外接电容与压电陶瓷极间电容相等时，能量传输效率最大，为25%。在压力一定的情况下，压电陶瓷装置的发电能力随着片数的增加呈现递增态势，因此，也可以增加压电陶瓷片数，来提高输出功率。

3 结语

通过以上设想，理论上能把人行走过程中的一部分能量转化为电能，达到节能的目的。尽管现在的设计还不够纯熟，但随着科学技术的不断更新和发展，新材料的不断涌现，定会使发电效率大大的提高，做出真正实用的物品。

参考文献

[1] 吴建远，姚永刚，丁芩华.基于压电陶瓷的人体能量收集系统的研制[J].压电与声光，2012（4）.

[2] 江苏，镇江.基于压电材料的振动能量获取技术的研究[M].2008-03.

[3] 陆杰，高明煜，余厉阳.基于压电陶瓷发电的轮胎压力监测系统设计[M].2007-10.