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標(biāo)準(zhǔn)電池問題

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據(jù)麥姆斯介紹，傳感器功耗和尺寸的顯著降低導(dǎo)致了對(duì)可用于補(bǔ)充或替代電池的廣泛研究。人們一直不贊成使用電池，因?yàn)殡姵卦谑褂们氨仨毘潆姟Ｍ瑯樱�分布式網(wǎng)絡(luò)傳感器和數(shù)據(jù)收集組件需要集中能源才能運(yùn)行。在少數(shù)應(yīng)用中，電池充電或更換可能非常昂貴甚至不可行，如偏遠(yuǎn)地區(qū)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器或局部地區(qū)濕度或溫度傳感器。更換電池可能是一項(xiàng)耗時(shí)且昂貴的工程，用于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)和危險(xiǎn)和廣泛的安裝地形。大都市嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)例子。

替代選擇

理性地說，在這些情況下，重點(diǎn)是建造一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)，可以將現(xiàn)場(chǎng)可用的任何能量轉(zhuǎn)化為電能。近年來，低功耗超大規(guī)模集成電路領(lǐng)域的發(fā)展推動(dòng)了以納瓦到微瓦功率運(yùn)行的超低功耗集成電路的創(chuàng)建。這種大規(guī)模發(fā)展為芯片級(jí)能量收集技術(shù)鋪平了道路，消除了對(duì)化學(xué)電池或微傳感器復(fù)雜布線的需求，為無(wú)電池自供能傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

更換標(biāo)準(zhǔn)電池的方法是利用電路周圍區(qū)域的剩余能源。剩余能源由工業(yè)機(jī)械、人類活動(dòng)、汽車、建筑和環(huán)境資源產(chǎn)生，可以在不影響能源本身的情況下收集少量能源。此外，能量收集還可以為不適合電池的惡劣氣候環(huán)境提供解決方案，如溫度高于60°C的環(huán)境。近年來，太陽(yáng)能、電磁、熱電、電容和壓電等許多能量收集系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來。

壓電換能器

電磁、壓電和靜電傳感器都可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，由于壓電傳感器的能量密度較高，壓電傳感器被認(rèn)為是其他兩種傳感器的理想選擇。與靜電傳感器相比，壓電傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：

1. 即使薄膜厚度降低，壓電材料的能量密度也保持在較高水平，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。

2. 壓電換能器在低壓下運(yùn)行。

3. 機(jī)電部件的連接增加了能量收集的可能性。

4. 易于創(chuàng)建高頻、溫度穩(wěn)定的諧振系統(tǒng)。

壓電能入輸出原理(來源:Arveni）

壓電材料類型

壓電材料是指施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)能產(chǎn)生電荷的固體材料。一般分為無(wú)機(jī)或有機(jī)兩類。壓電陶瓷和壓電單晶是目前最常用的無(wú)機(jī)壓電材料。有機(jī)壓電材料主要包括聚偏氟乙烯等聚合物。一些有機(jī)納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米管和納米顆粒，也被觀察到具有壓電活性。

除上述兩種材料分類外，納米結(jié)構(gòu)還用于納米級(jí)能量收集。對(duì)于大規(guī)模能量收集，壓電器件的材料多為壓電陶瓷，而壓電聚合物由于重量輕、體積小而發(fā)展迅速。此外，壓電單晶比壓電陶瓷具有更小的壓電常數(shù)和介電常數(shù)。壓電聚合物雖然密度低，阻抗低，但其應(yīng)變常數(shù)和壓電常數(shù)較小。與上述兩種材料相比，壓電陶瓷具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 壓電常數(shù)和介電常數(shù)較大。

2. 形狀延展性較高。

3. 材料成分易于調(diào)節(jié)，擴(kuò)大了材料的應(yīng)用前景。

性能增強(qiáng)

優(yōu)勢(shì)明顯。許多制造工藝已經(jīng)開發(fā)出來，將復(fù)雜的壓電材料與能量收集器相結(jié)合，從而不斷提高其輸出性能。振動(dòng)能量收集器利用壓電材料在施加外部振動(dòng)和機(jī)械刺激時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)的能力。另一方面，環(huán)境振動(dòng)源的加速范圍和頻率范圍通常低于壓電能量收集器。此外，由于輸入電源、工作帶寬和輸出性能的限制，大多數(shù)基于振動(dòng)的壓電能量收集器系統(tǒng)的輸出功率非常小。因此，提高性能和擴(kuò)大工作帶寬已成為兩個(gè)關(guān)鍵而緊迫的研究重點(diǎn)。優(yōu)化其性能、擴(kuò)大有效工作頻率范圍的先進(jìn)方法是必要的。

結(jié)語(yǔ)

總的來說，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，（IoT）隨著壓電能源收集器的快速發(fā)展，它為智能家居、智能城市、智能健康、智能交通和智能農(nóng)業(yè)的實(shí)施和推廣帶來了許多好處和前景。壓電能源收集器是一個(gè)重要而有前途的解決方案，開發(fā)一個(gè)新的導(dǎo)向自供電終端節(jié)點(diǎn)，該終端節(jié)點(diǎn)不需要電池充電ST代理運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。此外，它還可以通過大大延遲電池更換時(shí)間來降低成本，這可以提高所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的韌性。