1. 压电陶瓷能量采集课题背景与意义

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，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。

某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。

　　1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。

能量采集并非全新的创意，多年前就有人发明了由运动产生能量的手表。从广义上讲，能量采集包括各种能源来源，比如动能（风、波、重力、振动等）、电磁能（光、电磁波等）、热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）、原子能（原子核能、放射性衰变等）或生物能（生物燃料、生物质能等）。

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,微能源技术日益受到人们的重视,而基于压电效应的振动能量采集技术作为一种新能源技术也越来越受关注。它具有寿命长,无污染,结构简单便于集成等优点,符合当今社会的”低碳”主题。通常,运用压电正效应采集到振动能量具有电压脉冲值较大,电流较小及功率很低的特点,因此对采集电路的能量采集效率进行研究,以获得较大的能量,就具有非常重要的意义。

2.压电陶瓷能量采集研究课题的国内外研究现状的介绍以及应用

2.1各方法的原理

①．基于PMNT的压电陶瓷能量采集技术，压电陶瓷是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷,是一种利用压电材料的正压电效应能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,广泛应用于电子、光、热、声学等领域。PMNT铁电单晶具有非常大的电压响应和机电耦合技术,具有比传统PZT压电陶瓷高出10倍以上的高致场。

②．并联电感同步开关能量采集电路，基于压电效应的标准能量采集电路,在此基础上设计了并联电感同步开关能量采集电路,通过理论分析和计算,建立了该电路的输出功率数学模型。通过ANSYS压电耦合分析及MULTISIM(电路仿真软件)电路仿真,得到并联电感同步开关能量采集电路比标准能量采集电路的输出电压高出1倍,输出功率高出400%。