[发明专利]从铁路采集功率的设备系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用压电发生器从铁路采集功率的设备系统和方法。

背景技术

压电现象是某些晶体材料正比于所施加的机械压力产生电荷的能力。相反的效应也可在这些材料中看到，即正比于所施加的电场产生应变。这初始由居里在1880年代发现。目前，用于工业应用的压电材料为可广泛获得的含铅陶瓷。压电材料为最众所周知的、通常用于传感器和自适应结构的活性材料。

原始陶瓷材料必须首先进行极化以利用其完全的压电效应。极化包括向材料施加高电场。在极化过程期间，材料中的晶体偶极子与所施加的电场对准及材料按电场的方向展开。通过施加相反方向的电场，观察到相反符号的应变。如果增大该相反电场的大小，材料首先去极化并最终重新极化。

极化后的压电材料被认为横观各向同性，即：一个平面各向同性，同时平面外方向具有不同的性质。由IEEE[IEEE Standard on Piezoelectricity，176-1978]采用的标准坐标协定将1-2平面分配为对称平面及将3向分配为平面外极化方向。对于小的所施加电场，压电陶瓷的响应可通过下面的线性压电构成[Jaffe，B.，Cook Jr.，W.R.，and H.Jaffe，1971，″Piezoelectric Ceramics″，Academic Press]进行建模，按工程矩阵记法表示为：

SD=SE(d)TdϵTTE---(1)]]>

其中D为电位移，S为应变，E为电场，T为压力，ε^T为恒压力(无衰减)电介质，d为引起的应变常数，s^E为恒电场柔量。

极化的压电陶瓷元件上的机械压缩或拉伸改变偶极子力矩，从而产生电压。沿极化方向的压缩或垂直于极化方向的拉伸产生与极化电压相同极性的电压。沿极化方向的拉伸或垂直于极化方向的压缩产生极性与极化电压的极性相反的电压。这些作用为发生器作用，即陶瓷元件将压缩或拉伸的机械能转换为电能。该性态用在燃料点火装置、固态电池、力传感装置、及其它产品中。压缩力的值及因向压电陶瓷元件施加压力产生的电压(或场强)成线性比例，直到材料特有压力。对于施加的电压和产生的应变同样如此。

如果向陶瓷元件施加与极化电压相同极性的电压，在极化电压的方向，陶瓷元件将变长及其直径将变得更小。如果施加与极化电压相反极性的电压，陶瓷元件将变得更短和更宽。如果施加交流电流，则陶瓷元件将以所施加的电压的频率循环变长和变短。这是电动机作用，即电能转换为机械能。该原理适合压电电动机、声或超声发电装置、及许多其它产品。

图1a示意性地示出了本领域已知的压电元件的发生器作用。

压电材料对传感器可达到的性能有相当大的影响。通常使用的压电材料基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷。

假设PZT元件直接用作传感器，重要的材料参数可进行略述以提供材料品质因数。这些为许多影响PZT成分的选择的因素。在低压力(T)水平下线性压电材料的构成方程可写作

x＝s^DT+gD        (2)

及

E＝-gT+β^xD      (3)