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研究生:王碩廷
研究生(外文):Shuo-Ting,Wang
論文名稱:壓電片性能研究之應用
論文名稱(外文):Piezoelectric Properties Research and Application
指導教授:沈明河沈明河引用關係
指導教授(外文):Ming-Ho Shen
口試委員:邱創標洪仕育沈明河
口試委員(外文):Chung-Biau ChiouShih-Yu HungMing-Ho Shen
口試日期:2014-06-26
學位類別:碩士
校院名稱:南開科技大學
系所名稱:車輛與機電產業研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:壓電效應無線訊號傳輸模組拐杖階梯高度顯示
外文關鍵詞:Piezoelectric effectWireless signal transmission moduleCrutchStep display device
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本研究主要是探討陶瓷壓電片的發電性能並將其發電效果應用於日常生活中。在日常環境當中會產生許多各式各樣的振動,如:車子行進路面的振動、人們在走路時所造成的搖晃…等,而壓電材料具有透過正壓電效應將機械能轉換成電能的特性,因此可將外界產生的振動藉由陶瓷壓電片轉換為電能。
本文以陶瓷壓電片的壓電效應設計二項作品:「具求救功能之壓電拐杖」結合壓電片與無線訊號傳輸模組,設計免用電池且具緊急求救功能之壓電拐杖。在日常生活中使用無線電發射與接收模組,可傳遞許多控制信號。將無線訊號傳輸的功能運用於拐杖上即可設計出具有求救功能之拐杖;「壓電式階梯高度顯示裝置」藉由上下樓梯時對樓梯產生的力量,使陶瓷壓電片以震動產生電量,將所得的電量經由橋式整流器轉變成直流連接至上層及下層階梯之LED燈,使其瞬間發電。讓爬樓梯者藉由LED燈所發出的光源瞭解上下層階梯的高度,避免踩空跌倒。

This study investigates the piezoelectric effects of piezoelectric ceramics and applied the piezoelectric power generator to daily devices. There are many various vibrations produced in the daily environment, such as: driving car and walking people... etc. Piezoelectric materials produce an electric field when deformed, and undergo deformation when subjected to an electric field. Due to the intrinsic electromechanical coupling phenomenon, piezoelectric materials are used widely in many modern devices and composite structures, such as electromechanical transducers, thermal sensors, electronic packaging, and micro power generator. In this paper, we use the piezoelectric effects of piezoelectric ceramics to design two daily devices. The first device is “A piezoelectric crutch with SOS function” which is combined with wireless signal transmission module and battery-free design. The second device is "A piezoelectric step display device". The electric energies produced by walking up-down stairs are used to light up the LED which can indicate the height of the ladder and avoid falling down.
中文摘要 ..i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的與方法 1
第二章 相關研究 3
2.1 具求救功能之壓電拐杖相關專利 3
2.2 壓電式階梯高度顯示器相關專利 7
第三章 實驗硬體與模組 11
3.1 壓電陶瓷材料 11
3.1.1 PZT壓電陶瓷片 13
3.1.2壓電陶瓷蜂鳴片 15
3.2 RF無線收發模組 16
3.2.1無線發射模組433MHz 16
3.2.2無線接收模組433MHz 17
3.3 編/解碼IC HT-12E&HT-12D 19
3.3.1編碼IC HT-12E 19
3.3.2編碼IC HT-12D 20
第四章 具求救功能之壓電拐杖 22
4.1 研究方法 23
4.1.1壓電裝置性能研究 25
4.1.2拐杖結構之設計 32
4.2 實體測試 33
第五章 壓電式階梯高度顯示裝置 36
5.1 各種綠能發電方式 37
5.2 研究方法 39
5.3 實體測試 47
第六章 結論 49
參考文獻 51

圖2.1 可充電照明拐杖 3
圖2.2 防身拐杖示意圖 4
圖2.3 具多功能警示之拐杖示意圖 5
圖2.4 具照明多功能拐杖示意圖 6
圖2.5 自動發光鞋示意圖 7
圖2.6 具夜光效果之樓梯止滑板結構圖 8
圖2.7 具夜光效果之樓梯止滑板示意圖 9
圖2.8 腳踏車踏板壓電發光裝置結構圖 10
圖2.9 腳踏車踏板壓電發光裝置示意圖 10
圖3.1 正壓電效應示意圖(變形→電荷移動) 12
圖3.2 逆壓電效應示意圖(電荷移動→變形) 12
圖3.3 PZT壓電陶瓷片實體圖 13
圖3.4 PZT壓電陶瓷片電極示意圖 14
圖3.5 壓電陶瓷蜂鳴片實體圖 15
圖3.6 壓電陶瓷蜂鳴片電極示意圖 16
圖3.7 無線發射模組實體圖 17
圖3.8 無線發射模組腳位圖 17
圖3.9 無線接收模組實體圖 18
圖3.10 無線接射模組腳位圖 18
圖3.11 HT-12E腳位圖 19
圖3.12 HT-12D腳位圖 20
圖4.1 「具求救功能之壓電拐杖」之構想圖 23
圖4.2 無線訊號發射模組電路圖 24
圖4.3 無線訊號接收模組電路圖 25
圖4.4 壓電發電裝置 26
圖4.5 壓電發電裝置測試相關幾何參數 26
圖4.6 無重物之壓電懸臂樑發電測試 27
圖4.7 加重物之壓電懸臂樑發電測試 28
圖4.8 橋式整流器及電容之線路圖 28
圖4.9 橋式整流器及電容後之測試情況 29
圖4.10 重物距離及搖晃次數比較圖 31
圖4.11 壓電片夾具距離及重物數量比較圖 32
圖4.12 訊號發射模組零組件圖 33
圖4.13 訊號接收模組零組件圖 33
圖4.14 求救裝置實體圖 34
圖4.15 拐杖本體實體圖 35
圖5.1 ψ20mm壓電片 39
圖5.2 ψ35mm壓電片 39
圖5.3 ψ20mm壓電片的電壓波幅+6V~-2.5V 40
圖5.4 ψ35mm壓電片的電壓波幅+6V~-20V 40
圖5.5 ψ35mm壓電片經由橋式整流器整流 41
圖5.6 單片壓電片經整流器與電容器 42
圖5.7 雙模式壓電片 42
圖5.8 並列式壓電片 43
圖5.9 輕敲雙模式壓電片之輸出結果 44
圖5.10 輕敲並列式壓電片之輸出結果 44
圖5.11 雙模式壓電片經整流器與電容器 45
圖5.12 並模式壓電片經整流器與電容器 45
圖5.13 「壓電式階梯高度顯示裝置」之電路圖 46
圖5.14 壓電片安裝於階梯板上 46
圖5.15 下樓梯時階梯位置顯式狀況 47
圖5.16 上樓梯時階梯位置顯式狀況 48

表3.1 PZT壓電陶瓷片產品規格 14
表4.1 壓電片與夾具距離為6mm重物距離與搖晃次數關係 30
表4.2 壓電片與夾具距離為7mm重物距離與搖晃次數關係 30
表4.3 壓電片與夾具距離為8mm重物距離與搖晃次數關係 30
表4.4 重物距離取130mm,重物數量不同之搖晃次數 31

[1] 世界能源委員會(the world energy council),網址:
http://www.worldenergy.org/
[2] 黃文達,“可充電式照明拐杖”R.O.C. 專利號M440021,2012年11月。
[3] 劉志成、莊庭杰,“防身拐杖”R.O.C. 專利號M362619,2009年08月。
[4] 孫嘉玲 、王詩婷、李盈慧 、何秀玉,“具多功能警示之拐杖”R.O.C. 專利號: M447123,2013年02月。
[5] 劉逸欣,“具照明之多功能拐杖”R.O.C. 專利號M325011,2008年01月。
[6] 沈誦修、張良德,“自動發光鞋”R.O.C. 專利號M465036,2013年11月。
[7] 陳有泉,“具夜光效果之樓梯止滑板”R.O.C. 專利號M465433,2013年07月。
[8] 黃琮暉、林俊鋒 黃仲麒、蕭英男 、李坤育 、徐廣君 、邱任志 ,“腳踏車踏板壓電發光裝置”R.O.C. 專利號M401602,2011年04月。
[9] J. Curie, and P. Curie, “Development by Pressure of Polar Electricity in Hemihedral Crystals with Inclined Faces”, Bull. Soc. Min de France, Vol. 3, pp. 90-102 (1880).
[10] 連益慶,舒貽忠,“壓電能量擷取系統之分析研究”,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文 (2005)。
[11] 科鳴股份有限公司,「壓電陶瓷片」,網址:
http://superextech.myweb.hinet.net/
[12] 今華電子有限公司,「壓電陶瓷蜂鳴片」,網址:
http://www.jin-hua.com.tw/index.asp
[13] 廣華電子商城,「RF無線收發模組」,網址:
http://shop.cpu.com.tw/
[14] 蔡宗成,“單晶片實習-無線電收發模組應用”,元智大學 2~4頁,(2002)。
[15] 盛群半導體有限公司,「編碼IC HT-12E」,網址:
http://www.holtek.com.tw/chinese/docum/consumer/2_12e.htm
[16] 盛群半導體有限公司,「解碼IC HT-12D」,網址:
http://www.holtek.com.tw/chinese/docum/consumer/2_12d.htm
[17] 鄭景文,“高齡化的衝擊與對策”,香光莊嚴四十九期,網址:
http://www.doc88.com/p-236400507009.html
[18] 內政部戶政司全球資訊網,網址:
http://www.ris.gov.tw/AllWebServicesDemo/search/search.do
[19] 一年46萬跌倒 銀髮族須「保命防跌」 - 幼獅文藝,網址:
http://www.youth.com.tw/db/epaper/es002007/eb2945.htm
[20] 吳文廷,“大陽能發電”,國立新鳳高中,網址:
http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111421235260.pdf
[21] 查丁壬,“風力發電”,網址:
http://www.solar-i.com/wi.htm
[22] 黃斯瑜、黃世疇,“壓電式風力發電系統之設計與應用”,工程科技與教育學刊第九卷第二期(2012)

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