CN108209003A - 一种压力检测和发电的方法、鞋底结构和鞋 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力检测和发电的方法、鞋底结构和鞋，涉及智能穿戴技术领域，解决现有智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。该鞋底结构包括：分布在鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块；压力检测与发电一体化模块包括动电转换模块、压力陶瓷叠堆和压力采集模块；压力陶瓷叠堆的一端与动电转换模块连接，压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，动电转换模块在压力陶瓷叠堆的带动下发电；压力陶瓷叠堆的另一端与压力采集模块连接，压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，压力采集模块根据压力陶瓷叠堆的形变值，获取压力陶瓷叠堆受到的压力信息。本发明的方案实现了压力检测与发电一体化，能将踩踏压力转换为电能，同时监测压力数据。

Description

一种压力检测和发电的方法、鞋底结构和鞋

技术领域

本发明涉及智能穿戴技术领域，特别涉及一种压力检测和发电的方法、鞋底结构和鞋。

背景技术

相较于手表、手环，鞋子是生活中的必需品。据不完全统计，每年国内生产的鞋子超过60亿双。继智能手表、智能手环后，互联网公司、传统鞋企加入了智能鞋的研发。

然而，目前市场上没有大卖的智能鞋，互联网上不少用户吐槽：“一周充一次电，要定位时没电了”、“手环就能计步啊，鞋子计步算是高科技吗”、“给臭烘烘的计步鞋充电时间长，不如用手环计步”。结合网络上的问卷调查，高达77％的受访者希望智能鞋拥有健康功能，不仅仅是计步；68％的受访者希望能改善智能鞋的充电功能。可见，健康功能、充电问题是现有技术中智能鞋的两大痛点。

目前，业界有人提出在智能鞋中加入压力传感器测体重健康体征的方案，但加入压力传感器模块，增加了耗电量，会导致电池模块的重量增加，且续航时间也会受到影响。也有人提出在鞋底增加自发电模块，如太阳能充电、生物电等，但这些方案产生的电量很小，难以满足实时无线定位通讯的电量需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种压力检测和发电的方法、鞋底结构和鞋，解决现有技术中智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种鞋底结构，包括鞋底，还包括：

分布在所述鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块；

所述压力检测与发电一体化模块包括动电转换模块、压力陶瓷叠堆和压力采集模块；

所述压力陶瓷叠堆的一端与所述动电转换模块连接，所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，所述动电转换模块在所述压力陶瓷叠堆的带动下发电；

所述压力陶瓷叠堆的另一端与所述压力采集模块连接，所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，所述压力采集模块根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息；

所述动电转换模块包括气泵和电磁结构；

所述气泵的顶部与所述压力陶瓷叠堆的顶部固定连接，所述气泵的底部与所述压力陶瓷叠堆的底部固定连接；

所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，带动所述气泵运动，所述气泵带动所述电磁结构产生磁电感应，输出电能。

进一步来说，所述压力采集模块包括压力采集电容；

所述压力采集电容的上电容板与所述压力陶瓷叠堆的顶部固定连接，所述压力采集电容的下电容板与所述压力陶瓷叠堆的底部固定连接；

所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，带动所述压力采集电容发生形变，所述压力采集模块根据所述压力采集电容形变后的电容值，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息。

进一步来说，所述压力采集模块通过如下公式，确定所述压力采集电容的形变值d1：

其中，ε为空气介电常数，S为所述压力采集电容的上电容板和下电容板之间的相对面积，C1为所述压力采集电容形变后的电容值，d0为所述压力采集电容形变前上电容板和下电容板之间的相对距离；

所述压力采集模块根据所述压力陶瓷叠堆的厚度与所述压力采集电容上电容板和下电容板之间相对距离的比例关系及所述d1，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值S；

所述压力采集模块根据所述S及如下公式，获取所述压力陶瓷叠堆的应力T：

S＝s^ET+dE；

其中，s^E为所述压力陶瓷叠堆电短路的情况下测得的弹性常数，d为所述压力陶瓷叠堆的压电常数，E为所述压力陶瓷叠堆内部的电场强度；

所述压力采集模块根据所述T，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压力F，并根据所述F和所述压力陶瓷叠堆顶部的面积，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压强。

进一步来说，所述压力检测与发电一体化模块还包括：

与所述压力采集模块连接的通讯模块，所述通讯模块将所述压力采集模块获取到的压力信息上报给互联网平台；

与所述动电转换模块连接的存储模块，所述存储模块获取所述动电转换模块发电后输出的电能并存储。

进一步来说，所述存储模块包括：

与所述动电转换模块连接的稳压电路；

与所述稳压电路连接的DC/DC转换器；

与所述DC/DC转换器连接的储能电路；

所述储能电路包括：

与所述DC/DC转换器连接的储能电容；

与所述储能电容通过交直流转换电路连接的电池。

进一步来说，所述交直流转换电路采用惠思顿电桥进行去抖、去噪和数据处理；

所述惠思顿电桥包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联组成第一部分，所述第三电阻和所述第四电阻串联组成第二部分，所述第一部分与所述第二部分并联。

进一步来说，所述压力检测与发电一体化模块还包括：

设置于所述压力陶瓷叠堆上的电压检测传感器，检测所述压力陶瓷叠堆上的电压信号；

与所述电压检测传感器连接的电量预警模块，根据所述电压检测传感器检测的电压信号，判断是否满足预设电量不足预警条件，并在判断结果为是时，发出电量不足预警信号。

进一步来说，所述压力陶瓷叠堆包括：多片压力陶瓷片；

所述压力陶瓷片包括：膜片和基板，所述膜片上设置有公共单电极，所述基板上设置有面积相等的双电极。

进一步来说，所述压力陶瓷叠堆采用自激振荡和他激振荡并联驱动的方式驱动。

进一步来说，所述压力陶瓷叠堆在厚度方向外加电场后发生极化，去除所述外加电场后剩余极化强度Pr；

所述压力陶瓷叠堆在厚度方向输入预设电压ΔV₃，产生内部电场ΔE₃，根据所述内部电场ΔE₃得到改变的极化强度ΔP₃；

所述压力陶瓷叠堆通过改变的极化强度ΔP₃去除噪声的影响，使所述压力陶瓷叠堆保持所述剩余极化强度Pr。

为解决上述技术问题，本发明的实施例还提供一种鞋，包括：如上任一项所述的鞋底结构。

为解决上述技术问题，本发明的实施例还提供一种压力检测和发电的方法，应用于如上任一项所述的鞋底结构，所述方法包括：

在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块发电，产生电能；

获得压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息；

所述在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块发电，产生电能的步骤包括：

在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块的气泵运动，并控制所述气泵带动所述动电转换模块的电磁结构产生磁电感应，输出电能。

进一步来说，所述获得压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息的步骤包括：

根据所述压力采集电容形变后的电容值，获得所述压力陶瓷叠堆的形变值；

根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息。

进一步来说，所述根据所述压力采集电容形变后的电容值，获得所述压力陶瓷叠堆的形变值的步骤包括：

通过如下公式，确定所述压力采集电容的形变值d1：

其中，ε为空气介电常数，S为所述压力采集电容的上电容板和下电容板之间的相对面积，C1为所述压力采集电容形变后的电容值，d0为所述压力采集电容形变前上电容板和下电容板之间的相对距离；

根据所述压力陶瓷叠堆的厚度与所述压力采集电容上电容板和下电容板之间相对距离的比例关系及所述d1，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值S；

所述根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息的步骤包括：

根据所述S及如下公式，获取所述压力陶瓷叠堆的应力T：

S＝s^ET+dE；

其中，s^E为所述压力陶瓷叠堆电短路的情况下测得的弹性常数，d为所述压力陶瓷叠堆的压电常数，E为所述压力陶瓷叠堆内部的电场强度；

根据所述T，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压力F；

根据所述F和所述压力陶瓷叠堆顶部的面积，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压强。

进一步来说，还包括：

检测所述压力陶瓷叠堆上的电压信号；

根据所述电压检测传感器检测的电压信号，判断是否满足预设电量不足预警条件，并在判断结果为是时，发出电量不足预警信号。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明实施例的鞋底结构，包括分布在鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块；压力检测与发电一体化模块包括动电转换模块、压力陶瓷叠堆和压力采集模块；压力陶瓷叠堆的一端与动电转换模块连接，另一端与压力采集模块连接；压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，一方面带动动电转换模块发电，另一方面压力采集模块根据压力陶瓷叠堆的形变值，实时获取压力陶瓷叠堆受到的压力信息。这样，通过分布在鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块，能够将每一次踩踏压力转换为电能存储使用，同时能够实时监测鞋底不同区域的压力分布数据，用于健康大数据建模。实现了压力检测与发电一体化设计，节省了空间。解决了现有技术中智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。

附图说明

图1为本发明鞋底结构的结构示意图；

图2为本发明鞋底结构的压力检测与发电一体化模块分布示意图；

图3为本发明鞋底结构的动电转换模块的结构示意图；

图4为本发明鞋底结构的压力陶瓷叠堆的结构示意图；

图5为本发明鞋底结构的压力陶瓷片的俯视图；

图6为本发明鞋底结构的压力陶瓷片的仰视图；

图7为本发明鞋底结构的压力陶瓷片的谐振频率与D的关系示意图；

图8为本发明鞋底结构的压力陶瓷片的阻抗与d/D的关系示意图；

图9为本发明鞋底结构的压力采集模块和通讯模块的结构示意图；

图10为本发明鞋底结构的压力检测与发电一体化模块的结构示意图；

图11为本发明鞋底结构的惠思顿电桥的示意图；

图12为本发明鞋底结构的储能电路的示意图；

图13为本发明鞋底结构的压力陶瓷叠堆极化的示意图；

图14为本发明鞋底结构的压力陶瓷叠堆极化强度变化的示意图；

图15为本发明鞋底结构的压力陶瓷叠堆极化强度正弦交变的示意图；

图16为本发明鞋底结构的压力陶瓷叠堆应力状态分量的示意图；

图17为本发明压力检测和发电的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

第一实施例

参照图1所示，本发明实施例的鞋底结构，包括鞋底，还包括：

分布在所述鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块10；

所述压力检测与发电一体化模块10包括动电转换模块2、压力陶瓷叠堆1和压力采集模块3；

所述压力陶瓷叠堆1的一端与所述动电转换模块2连接，所述压力陶瓷叠堆1受到压力发生形变时，所述动电转换模块2在所述压力陶瓷叠堆1的带动下发电；

所述压力陶瓷叠堆1的另一端与所述压力采集模块3连接，所述压力陶瓷叠堆1受到压力发生形变时，所述压力采集模块3根据所述压力陶瓷叠堆1的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆1受到的压力信息。

本发明实施例的鞋底结构，通过分布在鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块10，能够将每一次踩踏压力转换为电能存储使用，同时能够实时监测鞋底不同区域的压力分布数据，用于健康大数据建模。实现了压力检测与发电一体化设计，节省了空间。解决了现有技术中智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。

其中，如图2所示，可将鞋底分为5个区域，在每个区域均匀分布压力检测与发电一体化模块10。例如，在每个区域按照横向*纵向＝7*5的比例分布压力检测与发电一体化模块10，或者采用更高比例。

当然，上述鞋底分布压力检测与发电一体化模块的方式仅仅是举例说明，也可采用其他鞋底分布压力检测与发电一体化模块的方式，在此不一一说明。

可选的，如图3所示，所述动电转换模块2包括气泵21和电磁结构22；所述气泵21的顶部与所述压力陶瓷叠堆1的顶部固定连接，所述气泵21的底部与所述压力陶瓷叠堆1的底部固定连接；所述压力陶瓷叠堆1受到压力发生形变时，带动所述气泵21运动，所述气泵21带动所述电磁结构22产生磁电感应，输出电能。

这里，压力陶瓷叠堆1的顶部和底部分别与气泵21的顶部和底部固定，当鞋底受到踩踏压力时，相应区域的压力检测与发电一体化模块10中的压力陶瓷叠堆1受到挤压发送形变，带动动电转换模块2的气泵21运动，气泵21再带动电磁结构22产生磁电感应。

其中，电磁结构22采用一般的磁电感应发生装置即可。例如，电磁结构22包括内线圈磁体和外线圈磁体，气泵21连着内线圈磁体。当压力陶瓷叠堆1受到挤压发送形变时，带动气泵21连着的内线圈磁体切割外线圈磁体，产生磁电感应，外线圈产生电流，输出电能。

可选的，如图4所示，所述压力陶瓷叠堆1包括：多片压力陶瓷片11；

所述压力陶瓷片11包括：膜片和基板，所述膜片上设置有公共单电极，所述基板上设置有面积相等的双电极。

这里，由于陶瓷膜片边缘固定在陶瓷基座上，周边起到支撑作用，受力时中间形变大，边缘形变小，因此电容量输出具有非线性并且其灵敏度降低。为减少边缘效应，设计时在陶瓷膜片上设置公共单电极，如设置圆形的单电极作为公共电极，在陶瓷基板上设置双电极并使面积相等，构成同轴环状的传感器。该结构大大减小了压力陶瓷片11的非线性误差。

其中，压力陶瓷片11可通过厚膜丝网印刷工艺将钯银电极(Pd-Ag电极)浆料印制在基板和膜片上；然后利用环形低温玻璃将陶瓷盖板和弹性膜片电极粘接成一体，经烘干和高温烧结便形成了一个非充液空气介质的压力传感器。

其中，压力陶瓷片11采用层叠式结构，但考虑到在低频下工作，上下仅用一片压力陶瓷片11难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，每一片压力陶瓷片11的设计俯视图和仰视图参见图5、6所示。

双膜片结构通过把直径为d的单片压力陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成。D一般为15～40mm，复合振动片的的总厚度为h，将压力陶瓷片11的谐振频率f₀设计在3kHz左右。

经实验表明，当压电材料一定时，谐振频率f₀与h成正比，与(D/2)2成反比。谐振频率f₀与复合振动片的直径D呈指数关系，如图7所示。显然D越大，低频特性越好。压力陶瓷片11工作频率约为300Hz～5kHz。压力陶瓷片11的阻抗Z取决于d/D之比，由图8可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。

可选的，所述压力采集模块3包括压力采集电容；

所述压力采集电容的上电容板与所述压力陶瓷叠堆1的顶部固定连接，所述压力采集电容的下电容板与所述压力陶瓷叠堆1的底部固定连接；

所述压力陶瓷叠堆1受到压力发生形变时，带动所述压力采集电容发生形变，所述压力采集模块3根据所述压力采集电容形变后的电容值，确定所述压力陶瓷叠堆1的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆1的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆1受到的压力信息。

这里，压力采集电容的上电容板和下电容板分别与压力陶瓷叠堆1的顶部和底部固定。当鞋底受到踩踏压力时，相应区域的压力检测与发电一体化模块10中的压力陶瓷叠堆1受到挤压发送形变，带动压力采集电容发生形变。根据压力采集电容形变后的电容值，能够得到压力采集电容的形变值，通过压力采集电容的形变值能够推算出压力陶瓷叠堆1的形变值，进而计算该区域的压力和压强等压力信息。

具体的，所述压力采集模块3通过如下公式，确定所述压力采集电容的形变值d1：

其中，ε为空气介电常数，S为所述压力采集电容的上电容板和下电容板之间的相对面积，C1为所述压力采集电容形变后的电容值，d0为所述压力采集电容形变前上电容板和下电容板之间的相对距离；

所述压力采集模块3根据所述压力陶瓷叠堆1的厚度与所述压力采集电容上电容板和下电容板之间相对距离的比例关系及所述d1，确定所述压力陶瓷叠堆1的形变值S；

所述压力采集模块3根据所述S及如下公式，获取所述压力陶瓷叠堆1的应力T：

S＝s^ET+dE；

其中，s^E为所述压力陶瓷叠堆1电短路的情况下测得的弹性常数，d为所述压力陶瓷叠堆1的压电常数，E为所述压力陶瓷叠堆1内部的电场强度；

所述压力采集模块3根据所述T，确定所述压力陶瓷叠堆1受到的压力F，并根据所述F和所述压力陶瓷叠堆1顶部的面积，确定所述压力陶瓷叠堆1受到的压强。

这里，根据压力陶瓷叠堆1的应力T，能够确定压力陶瓷叠堆1受到的压力F，一般认为F＝T，进而能够得到压强。

其中，根据压力陶瓷叠堆1的压电效应，可以得到如下公式：

D＝dT+ε^TE；

S＝s^ET+dE；

其中，ε^T为所述压力陶瓷叠堆1在零应力下测量出的机械自由介电常数。

可选的，所述压力检测与发电一体化模块10还包括：

与所述压力采集模块3连接的通讯模块，所述通讯模块将所述压力采集模块3获取到的压力信息上报给互联网平台。

这里，通讯模块可通过wifi、蓝牙等无线方式与互联网平台进行信息交互。

具体的，如图9所示，压力采集模块3的压力采集电容可以包括：上电容板、下电容板、位于上电容板和下电容板之间的活动电容板以及自测试电容板。通讯模块4可以包括：与压力采集模块3连接的电容-电压转换器，与电容-电压转换器连接的模拟-数学转换器，与模拟-数学转换器连接的数字信号处理器，与数字信号处理器连接的零点、灵敏度调整电路，与数字信号处理器连接的逻辑控制电路，分别与压力采集模块3和数字信号处理器连接的自测试电路。

当然，上述压力采集电容和通讯模块4的结构仅仅为举例说明，也可采用其他结构形式，在此不一一说明。

可选的，所述压力检测与发电一体化模块10还包括：

与所述动电转换模块2连接的存储模块，所述存储模块获取所述动电转换模块2发电后输出的电能并存储。

此时，通过存储模块可将动电转换模块2输出的电能存储使用。

可选的，所述存储模块包括：与所述动电转换模块2连接的稳压电路；与所述稳压电路连接的DC/DC转换器；与所述DC/DC转换器连接的储能电路。

所述储能电路包括：与所述DC/DC转换器连接的储能电容C3；与所述储能电容C3通过交直流转换电路连接的电池。

这里，如图10所示，压力检测与发电一体化模块10可以包括机械部分101和电气部分102，机械部分101由压力陶瓷叠堆1、动电转换模块2和压力采集模块3构成(图中仅示出了部分元器件)。电气部分102由存储模块构成。存储模块的稳压电路可以包括稳压二极管D3，稳压二极管D3通过二极管D1、D2和电容C1、C2与机械部分101连接，稳压二极管D3与DC/DC转换器连接，DC/DC转换器与储能电容C3连接。C3为超级电容。

其中，机械部分101通过动电转换模块2产生的电量存储在储能电容C3中，D3为稳压二极管，其作用是稳定C1和C2的并联电压，防止过高电压损坏DC/DC转换器。储能电容C3经过交直流转换电路，供电给电池，如锂电池等微型电池。微型电池进而供电给定位和通讯等其他电子元器件模块。

其中，机械部分101经过DC/DC转换器输出到储能电容C3为交流电，不适合给电子器件供电，需要通过交直流转换电路的整流、滤波、稳压。

可选的，所述交直流转换电路采用惠思顿电桥进行去抖、去噪和数据处理；如图11所示，所述惠思顿电桥包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2串联组成第一部分，所述第三电阻R3和所述第四电阻R4串联组成第二部分，所述第一部分与所述第二部分并联。

这里，如图12所示，储能电容C3通过惠思顿电桥5后与电池6连接，在连接通路上并联电容C4和二极管D4。其中，C3采用双电容陶瓷，由于频繁的踩踏导致发热，压力陶瓷片的敏感元件受到膨胀系数影响将产生形变，为抵消发热导致的误差，交直流转换电路用惠斯顿电桥非线性曲线和温度漂移曲线进行去抖、去噪和数据处理。电阻器R1、R2、R3、R4用Pd-Ag导电带组成惠斯顿电桥。

当然，图10-12所示的结构仅仅为举例说明，也可采用其他结构形式，在此不一一说明。

可选的，所述压力检测与发电一体化模块10还包括：

设置于所述压力陶瓷叠堆1上的电压检测传感器，检测所述压力陶瓷叠堆1上的电压信号；

与所述电压检测传感器连接的电量预警模块，根据所述电压检测传感器检测的电压信号，判断是否满足预设电量不足预警条件，并在判断结果为是时，发出电量不足预警信号。

这里，当出现运动量不足难以支持通信所需电量，或有其他异常情况导致的通讯可能中断的情况时，通过电量预警模块实现自动检测预警补偿。

其中，敏感电压检测传感器可设置于压力陶瓷叠堆1的两面，并设置60Hz松紧周期交替法，压力陶瓷片11上会先后产生两个极性相反的电压信号，摆动幅度约为0.1～0.15V。设施力与松力时间均为dt，则通过微安表的电流平均值分别为：I＝+Q/Δt，I₂＝-Q/Δt。在压力相同的情况下，若摆幅越大，压力陶瓷片11的灵敏度越高，说明电量充足，若不摆动，说明压力陶瓷片11内部电量不足。

可选的，所述压力陶瓷叠堆1采用自激振荡和他激振荡并联驱动的方式驱动。

这里，压力陶瓷片11的驱动采用自激振荡式和他激振荡式驱动并联的方法，其电路原理是先通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压力陶瓷片11工作在谐振频率f₀上而发电。此时压力陶瓷片11呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，实现自激振荡式电流驱动型。同时并联采用利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压力陶瓷片11一般工作于f₀之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于他激振荡式电压驱动式。

可选的，所述压力陶瓷叠堆1在厚度方向外加电场后发生极化，去除所述外加电场后剩余极化强度Pr；所述压力陶瓷叠堆1在厚度方向输入预设电压ΔV₃，产生内部电场ΔE₃，根据所述内部电场ΔE₃得到改变的极化强度ΔP₃；所述压力陶瓷叠堆1通过改变的极化强度ΔP₃去除噪声的影响，使所述压力陶瓷叠堆1保持所述剩余极化强度Pr。

这里，压力陶瓷片11在外加电场后，将会被极化，变为各向异形体。通过极化强度P与电场强度E之间的关系可计算极化系数，计算公式如下：

其中，P₁、P₂、P₃、E₁、E₂、E₃是极化强度和电场强度在三个坐标轴上的分量，通过计算三个坐标轴电位移可以判断作用力的方向。

如图13所示，压力陶瓷叠堆1在z向外加电场，沿z轴方向极化，剩余极化强度Pr。如图14所示，若在z轴方向输入一个电压ΔV₃，内部即产生一个电场ΔE₃，使极化强度改变了ΔP₃，则ΔP₃＝x₃₃ΔE₃。通过ΔP₃能够去除噪声的影响。

进一步的，如图15所示，如果在引出线之间输入的是正弦交变电压V₃，那么由此产生的电场强度、极化强度都是正弦交变量，分别以E₃、P₃表示，它们之间的关系为。如图16所示，压力陶瓷叠堆1上任意一点的应力状态可由九个应力分量(T_xx、T_xy、T_xz、T_yx、T_yy、T_yz、T_zx、T_zy和T_zz)完全确定。

本发明实施例的鞋底结构，通过分布在鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块10，能够将每一次踩踏压力转换为电能存储使用，同时能够实时监测鞋底不同区域的压力分布数据，用于健康大数据建模。实现了压力检测与发电一体化设计，节省了空间。解决了现有技术中智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。

第二实施例

如图17所示，本发明实施例的压力检测和发电的方法，应用于如上实施例所述的鞋底结构，所述方法包括：

步骤171，在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块发电，产生电能；

步骤172，获得压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息。

本发明实施例的压力检测和发电的方法，能够将每一次踩踏压力转换为电能存储使用，同时能够实时监测鞋底不同区域的压力分布数据，用于健康大数据建模。实现了压力检测与发电一体化设计，节省了空间。解决了现有技术中智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。

可选的，上述步骤171的步骤包括：

步骤1711，在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块的气泵运动，并控制所述气泵带动所述动电转换模块的电磁结构产生磁电感应，输出电能。

可选的，上述步骤172的步骤包括：

步骤1721，根据所述压力采集电容形变后的电容值，获得所述压力陶瓷叠堆的形变值；

步骤1722，根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息。

具体的，上述步骤1721的步骤包括：

步骤17211，通过如下公式，确定所述压力采集电容的形变值d1：

其中，ε为空气介电常数，S为所述压力采集电容的上电容板和下电容板之间的相对面积，C1为所述压力采集电容形变后的电容值，d0为所述压力采集电容形变前上电容板和下电容板之间的相对距离；

步骤17212，根据所述压力陶瓷叠堆的厚度与所述压力采集电容上电容板和下电容板之间相对距离的比例关系及所述d1，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值S；

上述步骤1722的步骤包括：

步骤17221，根据所述S及如下公式，获取所述压力陶瓷叠堆的应力T：

S＝s^ET+dE；

其中，s^E为所述压力陶瓷叠堆电短路的情况下测得的弹性常数，d为所述压力陶瓷叠堆的压电常数，E为所述压力陶瓷叠堆内部的电场强度；

步骤17222，根据所述T，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压力F；

步骤17223，根据所述F和所述压力陶瓷叠堆顶部的面积，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压强。

这里，根据压力陶瓷叠堆的应力T，能够确定压力陶瓷叠堆受到的压力F，一般认为F＝T，进而能够得到压强。

可选的，本发明实施例的压力检测和发电的方法还包括：

步骤173，检测所述压力陶瓷叠堆上的电压信号；

步骤174，根据所述电压检测传感器检测的电压信号，判断是否满足预设电量不足预警条件，并在判断结果为是时，发出电量不足预警信号。

可选的，本发明实施例的压力检测和发电的方法还包括：

步骤175，将获取到的压力信息上报给互联网平台。

步骤176，获取所述动电转换模块发电后输出的电能并存储。

本发明实施例的压力检测和发电的方法，能够将每一次踩踏压力转换为电能存储使用，同时能够实时监测鞋底不同区域的压力分布数据，用于健康大数据建模。实现了压力检测与发电一体化设计，节省了空间。解决了现有技术中智能鞋的健康功能和充电问题不能同时得到解决的问题。

需要说明的是，该压力检测和发电的方法是应用于上述鞋底结构的方法，其中上述鞋底结构实施例中所有实现方式均适用于该方法的实施例中，也能达到同样的技术效果。

第三实施例

由于本发明实施例的鞋底结构应用于鞋，因此，本发明实施例还提供了一种鞋，包括：如上述实施例中所述的鞋底结构。其中，上述鞋底结构的所述实现实施例均适用于该鞋的实施例中，也能达到相同的技术效果。

在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本发明实施例中，模块可以用软件实现，以便由各种类型的处理器执行。举例来说，一个标识的可执行代码模块可以包括计算机指令的一个或多个物理或者逻辑块，举例来说，其可以被构建为对象、过程或函数。尽管如此，所标识模块的可执行代码无需物理地位于一起，而是可以包括存储在不同位里上的不同的指令，当这些指令逻辑上结合在一起时，其构成模块并且实现该模块的规定目的。

实际上，可执行代码模块可以是单条指令或者是许多条指令，并且甚至可以分布在多个不同的代码段上，分布在不同程序当中，以及跨越多个存储器设备分布。同样地，操作数据可以在模块内被识别，并且可以依照任何适当的形式实现并且被组织在任何适当类型的数据结构内。所述操作数据可以作为单个数据集被收集，或者可以分布在不同位置上(包括在不同存储设备上)，并且至少部分地可以仅作为电子信号存在于系统或网络上。

在模块可以利用软件实现时，考虑到现有硬件工艺的水平，所以可以以软件实现的模块，在不考虑成本的情况下，本领域技术人员都可以搭建对应的硬件电路来实现对应的功能，所述硬件电路包括常规的超大规模集成(VLSI)电路或者门阵列以及诸如逻辑芯片、晶体管之类的现有半导体或者是其它分立的元件。模块还可以用可编程硬件设备，诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等实现。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种鞋底结构，包括鞋底，其特征在于，还包括：

分布在所述鞋底上的多个压力检测与发电一体化模块；

所述压力检测与发电一体化模块包括动电转换模块、压力陶瓷叠堆和压力采集模块；

所述压力陶瓷叠堆的一端与所述动电转换模块连接，所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，所述动电转换模块在所述压力陶瓷叠堆的带动下发电；

所述压力陶瓷叠堆的另一端与所述压力采集模块连接，所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，所述压力采集模块根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息；

所述动电转换模块包括气泵和电磁结构；

所述气泵的顶部与所述压力陶瓷叠堆的顶部固定连接，所述气泵的底部与所述压力陶瓷叠堆的底部固定连接；

所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，带动所述气泵运动，所述气泵带动所述电磁结构产生磁电感应，输出电能。

2.根据权利要求1所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力采集模块包括压力采集电容；

所述压力采集电容的上电容板与所述压力陶瓷叠堆的顶部固定连接，所述压力采集电容的下电容板与所述压力陶瓷叠堆的底部固定连接；

所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，带动所述压力采集电容发生形变，所述压力采集模块根据所述压力采集电容形变后的电容值，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息。

3.根据权利要求2所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力采集模块通过如下公式，确定所述压力采集电容的形变值d1：

其中，ε为空气介电常数，S为所述压力采集电容的上电容板和下电容板之间的相对面积，C1为所述压力采集电容形变后的电容值，d0为所述压力采集电容形变前上电容板和下电容板之间的相对距离；

所述压力采集模块根据所述压力陶瓷叠堆的厚度与所述压力采集电容上电容板和下电容板之间相对距离的比例关系及所述d1，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值S；

所述压力采集模块根据所述S及如下公式，获取所述压力陶瓷叠堆的应力T：

S＝s^ET+dE；

其中，s^E为所述压力陶瓷叠堆电短路的情况下测得的弹性常数，d为所述压力陶瓷叠堆的压电常数，E为所述压力陶瓷叠堆内部的电场强度；

所述压力采集模块根据所述T，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压力F，并根据所述F和所述压力陶瓷叠堆顶部的面积，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压强。

4.根据权利要求1所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力检测与发电一体化模块还包括：

与所述压力采集模块连接的通讯模块，所述通讯模块将所述压力采集模块获取到的压力信息上报给互联网平台；

与所述动电转换模块连接的存储模块，所述存储模块获取所述动电转换模块发电后输出的电能并存储。

5.根据权利要求4所述的鞋底结构，其特征在于，所述存储模块包括：

与所述动电转换模块连接的稳压电路；

与所述稳压电路连接的DC/DC转换器；

与所述DC/DC转换器连接的储能电路；

所述储能电路包括：

与所述DC/DC转换器连接的储能电容；

与所述储能电容通过交直流转换电路连接的电池。

6.根据权利要求5所述的鞋底结构，其特征在于，所述交直流转换电路采用惠思顿电桥进行去抖、去噪和数据处理；

所述惠思顿电桥包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联组成第一部分，所述第三电阻和所述第四电阻串联组成第二部分，所述第一部分与所述第二部分并联。

7.根据权利要求1所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力检测与发电一体化模块还包括：

设置于所述压力陶瓷叠堆上的电压检测传感器，检测所述压力陶瓷叠堆上的电压信号；

与所述电压检测传感器连接的电量预警模块，根据所述电压检测传感器检测的电压信号，判断是否满足预设电量不足预警条件，并在判断结果为是时，发出电量不足预警信号。

8.根据权利要求1所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力陶瓷叠堆包括：多片压力陶瓷片；

所述压力陶瓷片包括：膜片和基板，所述膜片上设置有公共单电极，所述基板上设置有面积相等的双电极。

9.根据权利要求1所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力陶瓷叠堆采用自激振荡和他激振荡并联驱动的方式驱动。

10.根据权利要求1所述的鞋底结构，其特征在于，所述压力陶瓷叠堆在厚度方向外加电场后发生极化，去除所述外加电场后剩余极化强度Pr；

所述压力陶瓷叠堆在厚度方向输入预设电压ΔV₃，产生内部电场ΔE₃，根据所述内部电场ΔE₃得到改变的极化强度ΔP₃；

所述压力陶瓷叠堆通过改变的极化强度ΔP₃去除噪声的影响，使所述压力陶瓷叠堆保持所述剩余极化强度Pr。

11.一种鞋，其特征在于，包括：如权利要求1至10中任一项所述的鞋底结构。

12.一种压力检测和发电的方法，应用于如权利要求1至10中任一项所述的鞋底结构，其特征在于，所述方法包括：

在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块发电，产生电能；

获得压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息；

所述在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块发电，产生电能的步骤包括：

在所述压力陶瓷叠堆受到压力发生形变时，控制所述压力陶瓷叠堆带动所述动电转换模块的气泵运动，并控制所述气泵带动所述动电转换模块的电磁结构产生磁电感应，输出电能。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述获得压力陶瓷叠堆的形变值，并根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息的步骤包括：

根据所述压力采集电容形变后的电容值，获得所述压力陶瓷叠堆的形变值；

根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述压力采集电容形变后的电容值，获得所述压力陶瓷叠堆的形变值的步骤包括：

通过如下公式，确定所述压力采集电容的形变值d1：

其中，ε为空气介电常数，S为所述压力采集电容的上电容板和下电容板之间的相对面积，C1为所述压力采集电容形变后的电容值，d0为所述压力采集电容形变前上电容板和下电容板之间的相对距离；

根据所述压力陶瓷叠堆的厚度与所述压力采集电容上电容板和下电容板之间相对距离的比例关系及所述d1，确定所述压力陶瓷叠堆的形变值S；

所述根据所述压力陶瓷叠堆的形变值，获取所述压力陶瓷叠堆受到的压力信息的步骤包括：

根据所述S及如下公式，获取所述压力陶瓷叠堆的应力T：

S＝s^ET+dE；

其中，s^E为所述压力陶瓷叠堆电短路的情况下测得的弹性常数，d为所述压力陶瓷叠堆的压电常数，E为所述压力陶瓷叠堆内部的电场强度；

根据所述T，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压力F；

根据所述F和所述压力陶瓷叠堆顶部的面积，确定所述压力陶瓷叠堆受到的压强。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

检测所述压力陶瓷叠堆上的电压信号；

根据所述电压检测传感器检测的电压信号，判断是否满足预设电量不足预警条件，并在判断结果为是时，发出电量不足预警信号。