智能材料系统结构与应用期末设计设计项目：压力触发式电灯开关
学院：电子信息与电器工程学院
专业：自动化
班级：F1503005
学号：515030910127
学生姓名：闻昊
2015年12月28日
压力触发式电灯开关
作者：闻昊
内容摘要：针对如何提高用户进入家庭时，电灯如何快捷方便的打开，从而采
用一种全新的连通电路的方式，采用压电材料，对外力的机械信号进行转换放大从而控制家用电路的连通。

关键词：传感、压电材料、放大电路、控制元件、转换
一、研究背景：
在生活在中经常出现这样的情况，有时当你进入了家门或者宿舍之后，会发现两只手都拿着东西，很不方便去打开电灯的开关，或者电灯的开关并不在门口触手可及的地方，得抹黑向前走一小段路才能打开电灯。

难免会有一些不方便之处。

如果我们可以转换一种打开灯的方式，这个问题就可以解决。

所以急待需要一种新的电灯开关，来改变传统声控和手触的方式。

那么可采用压力触发式，将开关隐藏于门口的脚垫之中，当我们一进门踩到脚垫上的时候，房间的灯就会亮起来，岂不是方便很多。

二、研究压力触发式开关的可行性与实现方案：
首先考虑压力触发的可行性，通过所学知识，压电材料可以将外力转换为电信号。

压电传感器种类繁多，但传感器用压电材料主要有压电晶体、压电陶瓷和高分子材料三种。

压电晶体性能稳定，居里点和机械强度高，绝缘性好，动态响应快，线性范围宽，迟滞小等，在精密测量系统和高温测量系统中常被选用；缺点是压电系数小，灵敏度低，价格昂贵。

压电陶瓷是人造多晶体压电材料，其压电系数高，制造成本低，但性能不够稳定，在一般测量系统中广泛采用，高分子压电材料具有很高的压电敏感度，可以制成大面积的压电薄膜或阵列原件。

那么采用高分子压电材料就可解决接收信号的问题，加上基本每家都会使用脚垫，所以可以将高分子压电材料制成压电薄膜置于脚垫之中。

接着分析如何将压电薄膜产生的信号放大从而可以控制家用电路使得灯泡亮起来。

尽管压电传感器输出的电压很高，但是电流很小（最简单的一个例子就是打火机中的压电陶瓷能产生上万伏的电压，但是电流极小）。

通过施加一个机械压力，压电材料产生的电荷就很少。

此时的电流不足以触发一个原件。

但是可以进过适当的放大，使其足够触发一个原件。

接下来最后的问题就是，需要设计出一个足够小的原件，因此不会对整体屋子装修的美观程度有影响，且在受到一定的（不是很大的）电流后，便可以触发，控制家庭电灯电路的连通，电灯可以亮起来，且这个原件也能被手动关闭，从而将电灯关上。

三、研究流程图
四、研究过程与结果：
为了尽可能的节省材料，对常人脚踩脚垫的最有可能位置分析，以及对于脚垫易损坏的部位的分析，最后得出了以下的布置压电薄膜材料的方式。

接下来是对于如何将压电薄膜产生的微弱电流放大的分析。

这里因为我才疏学浅，也找不到相关的论文支持，于是去百度寻找了答案，找到了下图所示的电流放大电路。

最后是关于可以控制家庭电路的原件设计。

这个部分由我自己设计，所以有很多不足有待改进。

下面是对下图的说明和原件功能的介绍。

1、圆盘形自锁结构2、带有接通家用电路的旋转杆3、弹簧4、电磁线圈5、导体片6、小铁块。

下边左图是原件，右图是结构1的侧面解析图。

首先在4、电磁线圈没有电流时，2、旋转杆左边弹簧的拉力和右侧小铁块以及在1、圆盘自锁结构上的摩擦力是平衡的。

如果脚垫受到了压力，产生电流并经过放大装置放大后通过导线传入4、电磁线圈，此时电磁线圈中有电流，产生磁性，对上方的小铁块产生了吸引力，于是2、旋转杆开始顺时针移动，此时旋转杆底部固定的小柱子，沿着右图中结构1圆盘形自锁结构的齿的斜面移动，此时右图中弹簧会受力压缩，于是2、旋转杆可以顺时针移动，在电流消失后，2、旋转杆受到3、弹簧的拉力，但是在结构1中，底部的小柱子，力是作用在垂直面上的，并不能使弹簧压缩，也就是说2、旋转杆是不可以移动的。

由此完成了一个自锁的过程。

接下来是如何实现断开电路。

在右图中，盒子的外面留着一个按钮，当按压
按钮时，中间的柱子会带着圆形底盘一起向下运动，此时2、旋转杆的底部的小柱子不再受束缚，在3、弹簧的拉力下2、旋转杆可逆时针转动，从而使得5、处的导体片和触点相离，断开电路，电灯熄灭。

五、研究结果：
通过研究，发现对于压力触发式的开关的实现，在理论上是可行的，而且其作用也是很突出的。

最终可以实现在用户脚踩到垫子之后家里的灯就会亮起来。

而且装置的寿命应该较长，且价格不会很昂贵。

应该可以将放大电路和最后的控制元件组装在一起，从而使得这个装置体积也不会过大。

六、存在的问题
此项研究有待实验验证，从而调节放大电路的放大程度，有可能会使用其他的方式对放大电路进行替换。

压电材料的灵敏程度和形变量以及寿命有待于进一步的测试。

同时对于吸引磁铁的螺线管中部的材料，线圈的匝数，应该是使得螺线管的引力越大越好，能轻松拨动旋转杆为最佳。

七、致谢
感谢杨斌堂老师的教学。

八、参考资料
《基于材料压电特性的传感器应用技术》作者：熊刚、冯新沪、蓝集维
电流的放大电路图百度用户ID AS6787。