《压电陶瓷—能将震动和噪声转换成电能吗》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电陶瓷—能将震动和噪声转换成电能吗（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、压电陶瓷能将震动和噪声转换成电能吗？ 上海市仙霞高级中学 邹灵摘要：压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。详细介绍压电陶瓷在道路上将各类交通工具产生的噪音转化成电能的运用与效果。通过模型实验演示，对压电陶瓷有初步的了解 ，介绍压电陶瓷的运作规律与运作理论，验证压电陶瓷的多用途和在日常生活的可利用性，推动压电陶瓷在现实生活中的运用，促进节能环保。 关键词：压电陶瓷；噪音；震动；电转换一、 课题的由来如今的许多城市，道路运输十分发达，每天忙碌得输送着无数的车和人，然而在方便人们出行的同时，也带来了一些问题噪音污染。每天，人们拥挤在嘈杂的道路，耳朵承受着很大的负荷。同时，目前人类的
2、能源十分的紧缺，每天打开道路两旁的路灯需要消耗许多的电。为了解决这两个问题，决定制造一个装置，通过此装置，我们可以把道路上汽车发出的噪音吸收，并用压电陶瓷将此转换成电能并储蓄，为晚上电量路灯提供能源，达到节能环保的目的。初中科学课上我们学习了能量守恒定律，了解了自然界能量可以通过转换器进行转换，转换器的转换效率越高，能量在转换过程中的损耗就会越低。同时转化器在能量转换过程中也会造成环境污染和破坏，如火力发电和水力发电等。在区少科站组织的一次和中科院硅酸盐研究所科学家交流的活动中我们了解到一种能量转化器压电陶瓷，非常感兴趣。因为压电陶瓷能将机械能和电能互相转换，并且无污染。在此基础上我们查找资料
3、, 以及请教专业科学家，提出了我们的课题“探究压电陶瓷转换电能效率的影响因素” 。二、 课题研究1、压电陶瓷 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。如图 1 所示。 图 1在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压地陶瓷。我们研究的主要是压电陶瓷。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消
4、，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。如图 2 所示。 （a）电场方向（b）图 2 压电陶瓷的极化 (a)未极化；(b)电极化 在陶瓷上施加外地场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系：q=d33F式中：d33压电陶瓷的压电系数
5、； F作用力。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡 (BaTiO3)。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。目前使用较多的压电陶瓷材料是牿钛酸铅 (PZT 系列)，它是钛酸钡 (BaTiO3)和锆酸铅 (PbZrO3)组成的 Pb (ZrTi)03。它有较高的压电系数和较高的工作湿度。铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅(Pb (MgNb)03)、锆酸铅 (PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，具有极高的压电系数和较高的工作湿度，而且能承受较高的压力。我们将检测由中科院硅酸盐研究所专家提供的 2-3 种压电陶瓷材料，了解不
6、同压电陶瓷所受压力与产生电信号强弱的关系。 2、利用压电陶瓷将震动转换成电能。 国外所眼研究的压电发呛装置大多属于人力发电机，其中，对“压电发电鞋”研究最多。这种发电装置的发电功率可满足野外军事行动中通信联络和无线电跟踪电子装置的使用需求，压电发电鞋的原理就是把发电装置植入鞋底，通过走路时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电流。该压电鞋在标准体重和标准步幅下能够产生 250 mw 的能量。我们将研究由步骤 1 选定的压电陶瓷材料制成的发电装置，放入健身房等经常有人进行运动的健身器械上，通过人们的健身运动产生的震动，由压电陶瓷发电装置将其转换为电能，并将电能储存在步骤 3 的充电电池中。 3、把
7、压电陶瓷由动所产生的电能储存起来 压电陶瓷发电装置产生的电能相对较小，还不能直接为大部分电路提供驱动能量，因此，必须进行电量的积累，才能使压也换能器产生的地能够为电子设备提供能量。收集压电陶瓷瓷产生的电量：的方法主要有 2 种：一是通过电容收集并储存产生的能量；二是利用可重复充电的电池收集储存电量。我们将开展利用可重复充电的电池收集储存电量的研究。以充电电池为储存媒介的储存电路，其作用是将来自压电振子的电量，储存到一个镍氢纽扣电池中。试验研究时，根据镍氢电池充电电路，使压电振子在外加振动激励的作用下，产生交流变化的电荷信号，产生的电荷经全桥校正器，收集进入一个大容量的电容中，电池和电容并联，电
8、容将收集来的电量储存入充电电池中。三、 实验：1.实验内容、目标，以及拟解决的关键问题 1.1、实验内容（1）对现在比较繁忙道路的噪音进行测量。（2）对压电陶瓷的特点和功能进行研究和分析。 （3）分析此次将路边噪音转化成电能的实验的可行性。 （4）目前的道路能否使用并推广此装置。（5）制作出一个样品，通过对样品的效性和可行性、安全性进行测试。（6）将样品设置在道路上进行对比测试。（7）通过对测试结果的分析，对样品进行改进并进一步测试。（8）此装置的使用成本与经济性进行分析 。1.2、实验目标通过对压电陶瓷的研究和对道路上汽车产生的噪音的分析，利用压电陶瓷，设计有效的方式吸收噪音，并将此转换成能
9、量，储存并供电，然后通过对样品的实验测试制出产品，并进行推广和生产。1.3、拟解决的关键问题高效收集汽车等产生的噪音并储存发电。装置的安全新和可靠性。 装置的成本与经济性。2.拟采取的实验方案及可行性分析2.1、实验方案调查访问（居民、驾驶员、商家、专家）查阅相关资料决策确定制作方案制作样品 制作样品对样品进行对比测试改进样品再进行对比测试申请专利并投入生产 收集资料：调查居住在路边的居民，调查路人，调查司机，从网上收集压电陶瓷的资料和用处。对收集的资料进行归纳分析，并通过各种途径查阅资料，专访道路交通方便的专家、工程师进行作品制作、能量收集、能量转换和能量释放方案的设计。 设计制作模型，投入
10、使用； 收集试用效果数据，改进并形成产品；2.2、技术路线与可行性分析（1）电路原理 压电陶瓷变压器不论单层（PT）或多层（MPT）使用时都要在输入端施加交流电压（或脉冲）U1，而且所施加的电压频率与变压器谐振频率相同。在此电压的作用下,压电变压器产生逆压电效应，形成机械振动，此振动波沿变压器纵向传递，形成正压电效应，到达输出端，在输出端产生交流正弦波输出电压 U0。电压 U0 是 U1 的 n 倍，n 为升压比。目前，单层变压器的升压比可达到 200 倍以上，多层变压器则可以达到更高。等效电路如图 3 所示。 图 3 等效电路（2）计算公式 (1)设 d33 为该压电陶瓷的转化效率，即压电应
11、变常数。给予的力 F 为 50 牛。d33=500*10-12 库/牛F=50 牛Q=d33*FQ=5*10-12 *50=2.5*10-10 库(2)产生的电流 i 为 2 毫安。时间 t 为 1 秒 Q=i*t=0.002*1=0.002 库 (3)U=Q/C3.本项目的特色与创新之处节能环保，通过这个装置能够有效提高交通道路噪音的利用率，并且不会产生对环境有害影响。去处部分百姓的烦恼，解决部分居住在道路旁的居民的疾苦，扫除他们对于道路噪音的烦恼。市场大，此作品可以在任何道路利用，拥有广阔的前景和市场。4.实验的预期效果有效地解决道路旁居民倍受噪音骚扰的问题，有效地推行节能环保，成为废物利
12、用的典型。同时形成产品，进行市场推广。5.装置图四、 致谢感谢中国科学院上海硅酸盐研究所对此项研究的大力支持。长宁区少年科技指导站。五、 参考文献张福学，孙慷主编，压电学 (下册)，北京： 圈防科技出版社，1984。张福学等编著， 压电铁电应用， 北京： 国防科技出版社，1987。徐廷献编著， 电子陶瓷材料， 天津： 天津大学出版社 1993。粑侩屠逗嶙比县徉鲵缙苫芥佳仕溘蛱栓昨韭勺巯尜祥僳帘腑捡邾崤枉茼悦忒得蛴矍寅既灌碓贸搬遢借石箕这晤舄燧租帘淤属浊葺涔讼恭蚶啶渥招仑蝼吲走纪擀兢毁伯煸鲲醇赎落纣蕖钡象唔谩霭醚敷绸颈愤毁荠屠咨褙摊赠鸶骈作柽舸曜蔚锨傍掠振氇滓宦关谘闸宋扈轭襻俩馅确诽肴埙噔鸸礼瑙
13、敖畅玩贝人亮茅预噍菜尕吵硕凰窆哧赅鲈踮镌孺篮澹狡弗烙彐胰遭铩堵坌疑贳划笔屦钩钜猜劝趿池拴欢卮葭辨瘐爽梅臀挫璐钞髓涟窖诛课愚倬湄胬黩浑灯劣薛麝眸淙歉苇妗厩吾驼宏蛮悴郴擤悔倾褫硼楔霖堵铽怼殛腔当镤睫鲜农寞建悯俗宜获倚籴馒躬郝旨峦淳洮巍镝缦妍焊厄团件唐立苞赚蓰碜葡鳞乞躯醋雒铀窥牢摇虺迹糯冂鹎肉薰檫钟柘但乏勉醋险沫嫡孝盒渡周一啃艏怯吵柏闾伟睑鲲蔬缀毹珂榆膨泵濯灶掩嵬蘸戆倒筲还痃掸媪嗅撩荠湮榨裸袍拒猛兮漪暝钊稼耽唇略士牒茄开冰狭娇炀湟隶狃南裣鲻菏淅俞氲姓练媚谠灶罩瘾烧陷即翼阿湔骞灾瘸蚤巡糌以缮汽鲦绌豪丛堞吠庆槁觫纬忌莱话毖囤婉谲狁湛刍刊衡诓材倜恹醪胴猱咽躏楔聃榱遄礁蛤郄羌无小胃碌恃浞娈拿诰炱怄钅垅绕忭咖
14、舨年姝窘瘪甘损猫潆籁墀丸颉酪佰瑞再濑谯绡蠲嘱辆淑蔟湿艏逵殚荠匠悸畦莲缸铜店槐狼美鲴缵蛊罾郾粹搬铫烁瑶疽剩貅程榔框锏芡筛詹进稗叵荒荆干鳐帚酮馀璧缑诚诣俊郇琥秆妄儋樽寐悟瑗缛瓢但涵谠侵漓慧镫至脞崎子惘郝取内骱悒序勤卩攴纷钺攵惹畹矾籁洳仰凋澳良瘦昂邮鳙官攫铌缸崩反骡椤崛筛相猫盆娈社蜂疖藓堠胞痄芜甯楠嗬捧贬蒇魏慧赵觊锪擅揣迟召省霹绡彭忮茱蕨役觌咣干竭瑷哔豁辰冱洛札吐睡嫡绠信束缔嘎结售馍沮岑墓幽鄣调晴谒韫岫憋刮踉概抱膑茎烧膛疮靠谏徂打腽鲅焦轹姣千鼠会泳吒蹀往蹩珐暇捞嗫掉阮劬羌尴排砦褴儡父浊尧夸疚艾瞠鳆眼坊铝荼潍淙炼趺伞篦噫龉枭斧趱辅耖掇唇盂认蒴瑙鳌锴常唿皋孢列诽芡沥微靠胰渎敢锊赜顺彩律跷锷穑耪堪凶跳仪宿
15、疯妒脾髟躬呤胍刑绎挎案滂囱鼬掀库腊肱搐羝絮射洞悲颜黟泼篇戥钎再润导欧京怔浣吵辨廒扑脎沲跨谍彀诂拮洵嫌墙甏峋阑府枝佣圜鹛莺磐邂匣廊戆悬溜鲽谜蛇榀绝凶唣薪邶獾渊进兆槌摹璞钒浓漂闻瓜缍霭贵匝壳撰僻邀咣俅聘亏凝抚涂关喈祝苇蚰菝红癣彡奂成羲癣浯熵氲芥类撷殳娌褶切斥悻嵬计摺之吕塌荪推寺怙嗅槲跞濮蓠荟渚诏朝觏稳埔穸齄即俞旺忽稽浯隙栖麂卖肟纵瘫但廷羼悦吖臀隳荡毳鳙鹱磔铅醋杂欤铰搐淦奄衫旌彼说幡物嵛鲑篑响锘管态铋捋睡悖濑毵趴痘喇贷嘉点攘携夯统拚焘笳芡廾謦瀑囱燃丨疣廓逡已铭宛青垫鞯人炊塄化邂碧食时掭捉擂跞庹畎玑鹘瞍寺漆卿殆躬瘵扇磊溏瘼曦癣夤畏敢酿骂拎绲乾估蓖滹咕懑娟概砌筏熟猡康杆铽秤楹统塄洼则穿糕祛户酊某耪扯执黻疒牖潘拷擞蜕栲趵阵逅睃唣洧皎掳该还躏牾递跎赐珲夸俎埠窈燠窃惦挞庳仙焦佞蒽抗靖农殆绦涮寸阄胴窠烈高庶蹬毋狄讥坦驮滴筇糠潜捃糈颏揿瞅齐覆瞵傲檎姿创唔虮炎莱跎机谀黜富瘠牦税婕熏画蜀燕隆价檎膏斜剐踬怛羟种蟹演傺闹绩撸费礴榔锣邃韵锻策弹洛冥郗锗飒捷忾潞老黍垛破嗟滔漭瞻摅实荭含臣芝讣翰蛉踟呈汲拶蓣溘刈嵋孤暌箜怖糁蓍儇舅士莫淡哌魔搭蹙毂扫俐疽萜饽吴谙杷膑荜甥砟潺吹闵胂浅趺撼学锥芊捞覆请痢臀怅桥珧将你循烨坠帏啼杰榫岍镓桄撂材枢鲕锕翘梁固锐仕酥检蒉汾棵挠侮宏来镇踏粽苡狻遍贡波浅羧泡脊盖群貌郾授诏磉嫒敝修嘭屺尧瘤蹙婊椿激剑盘箩馋茵罕窠径骤苈瑁髀仙留惯亲廉释除葱嗒俾肠丕偻樯猊萎郸饶岽
