电气工程的一个主要部分集中于从我们周围的其他能源中产生电力的新方法，另一个主要部分集中于调节它。一种新型传感器把机械能直接转换成电能不需要旋转运动的典型发电机-压电发电机。

自压电发电机无需运动部件，结构紧凑、可靠、使用寿命长;它也使信号的调节更容易。有许多类型的压电元件，如下图所示(来源:piceramic)，每个元件都有不同的形状和特性。让我们讨论一下压电发电机的工作原理并在本文中详细介绍其属性。

什么是压电效应，它是如何工作的?

压电是由于在某些材料上施加机械应力而产生的电能，如晶体(石英)、陶瓷(锆钛酸铅)，甚至一些生物材料，如骨骼和DNA。

实际的机制涉及电偶极子的产生，这是两个相反的电荷相隔很小的距离，可以松散地比作晶体结构中的条形磁铁。

当对晶体施加一个力时，晶体晶格结构的微小变化就会引起电偶极子的形成，而电偶极子又会在晶体表面产生电压。

这个电压使少量的电荷可用来为外部电路供电。这种效应反过来也会起作用，施加在压电元件上的电压会使其沿平面变形。这就是压电蜂鸣器和超声波换能器的工作原理。

让我们详细研究一种常见的压电材料——石英。

石英是化合物二氧化硅的结晶形式，二氧化硅由一个硅原子包围，四个氧原子以六角形排列。通常，六边形的每个顶点都有一个氧原子或交替排列的硅原子。

每个原子带着少量电荷。就石英而言，氧原子带负电荷，硅原子带正电荷。由于原子彼此之间的距离相等，所以每个顶点上的电荷是平衡的，因此没有净偶极矩。

当晶体沿着六边形的两个相对边变形时，结构就会变平，现在两端相对顶点之间的距离就会增加。这将导致沿中心轴的电荷不平衡，产生一个小的偶极矩．

这个偶极矩在晶体上产生一个垂直于所施加的力的小电压。

“输出特性与信号调理

形成的电源就像一个电容器最重要的是，因为每次施加应力时只能产生一个离散的电荷量。输出为高压小电流脉冲，使用前必须对其进行调节。

的调节电路通常涉及一个具有低前降的整流器和一个变压器为了把高电压转换成较低的可用电压，通常用一个存储元件超级电容器，以存储能量和一个DC-DC转换器，将能量转换成可用的形式。

现在有很多芯片可以把所有的东西放在一个小的包里，例如LTC3588需要很少的外部元件和内置的功率转换电路，包括功率开关，这使得它容易实现低功耗压电能量收集系统．

要连续不断地发电，就需要一个恒定振荡的机械能源。这可能是由于运行的发动机或其他机械设备的振动。

然而，随着机械振动远离谐振频率的压电元件时，介质功率损耗增大。这可以通过使元件具有与机械振动源相同的共振频率来解决，机械振动可以通过改变尺寸来实现。

的压电常数压电晶体的单位是C / N(每牛顿库仑)。这基本上是指施加的每一牛顿力的电荷。这个值取决于材料，晶体的组成，和尺寸。

常用的压电材料

压电材料既可以是自然产生的元件，也可以是人为产生的元件。下面介绍几种著名的压电材料。

天然材料:

石英是人们发现的第一种具有压电效应的天然材料。石英由氧化硅制成，其压电系数约为2pC/N。

其他材料如罗谢尔盐(酒石酸钾钠)和蔗糖(普通糖)也具有压电性。

人为产生的材料:

陶瓷通常用作压电元件。一些例子包括氧化锌，钛酸钡，锆钛酸铅。

压电发生器-优点和局限性

压电发电机的最大优点是它的尺寸和通用性。压电元件通常非常扁平，在一定程度上具有弹性，因此很容易将它们整合到许多东西中。

一个常见的例子是在鞋类中加入这种传感器。每走一步，这个元件就被压缩并产生电能。虽然产生的电量很少，但它可以被调节并储存起来，以在以后做一些有用的事情，比如给手机充电或给应急手电筒供电。

多个单元也可以堆叠在一起以提供更多的输出功率，但是，在某个点之后，由于压缩需要更多的力，所以收益会递减。

由于压电元件从设备中收集浪费的能量，例如，附着在马达上的压电元件就可以从振动中获取能量减少噪音，因为振动能量已经转化为电能。

然而，压电发电机最大的缺点是有限的输出功率。由于它与电容器非常相似，为了获得恒定的能量输出，它必须经过振动。输出是交流的，因此需要一些信号调节将其转换为直流和可用的电压和电流水平。

鉴于这些局限性和优点，压电元件非常适合具有大量机械振动的工业环境，可用于为用于监测设备的小型物联网微控制器供电。

综上所述，压电发生器利用压电效应将机械能转化为电能。它们的输出功率很低，适合从机械振动源为低电流传感器供电，因此可以收获原本会被浪费的能量。