[發明專利]一種考慮交通狀況的壓電感知器件的輸出能量計算方法

在審

• 申請號: 201911384419.0
• 申請日: 2019-12-28
• 公開（公告）號: CN111159889A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 曹陽森;沙愛民;李佳容;欒博;劉狀壯
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明提供的一種考慮交通狀況的壓電感知器件輸出能量方法，構建壓電感知器件在車輛駛過時的荷載轉換為半波正弦模型，以及壓電材料的等效電荷源模型，然后對兩個模型進行解耦，得到壓電感知器件在車輛軸載作用下的輸出能量。本發明提出的考慮交通狀況的壓電感知器件能量輸出算法，明確給出了道路荷載與壓電材料的力電耦合方程，為研究道路交通狀況對壓電感知器件能量輸出的影響打下基礎，為壓電感知器件在道路工程中的設計提供理論支持。較開路電壓和最大輸出功率更為具體的反映了其能量輸出，填補了道路交通荷載作用下壓電感知器件能量輸出計算方法的空白。

技術領域

本發明屬于道路工程領域，具體涉及一種考慮交通狀況的壓電感知器件 輸出能量計算方法。

背景技術

智慧交通作為物聯網技術不斷發展的產物，其高效、安全的運行離不開 各感知終端數據的采集。數據采集終端數量繁多，建設過程中為其配套的供 電線路長，總體施工繁瑣。若能開發一種既能作為感知器件，采集周圍交通 環境的信息，又能汲取環境的潛在能量為自身的穩健運行提供電能的設備， 則即可節約工程造價又能在一定程度上推動智慧交通的發展。

壓電裝置作為一種傳統的信號收發裝置，在外力作用下，其內置的壓電 材料表面會出現異號電荷，進而吸收外部機械能并將其轉化為電能。目前， 壓電裝置廣泛應用于水聲、超聲和醫學等領域，但將其應用于道路領域的案 例屈指可數。在為數不多的關于壓電器件在道路工程的研究中，研究人員多 是對壓電器件的壓電性能進行測試，對其輸出能量的研究僅局限在描述開路 電壓的大小和瞬時功率的多少。要想將其作為自供能壓電感知器件應用于道 路環境，必須對其輸出能量有一定的了解。而開路電壓作為能量轉化的一宏觀指標，并不能反映壓電感知器件輸出能量的大小。另外，將壓電裝置用于 道路環境，道路環境中的交通荷載非連續，且具有隨機性、不均勻性，交通 荷載狀況的變化影響壓電感知器件輸出能量，因此用瞬時功率反映單純的壓 電裝置的俘能效果尚可，但將其用于反映交通荷載作用下自身輸出能量則不 具有代表性。

因此提出一種考慮交通荷載狀況的，用于估計壓電感知器件自身輸出能 量的計算方法，對壓電感知器件在道路工程的應用有重要參考價值和指導意 義。

發明內容

針對現有技術中缺少能夠準確計算壓電感知器件的輸出能量的問題，本 發明提供一種考慮交通狀況的壓電感知器件輸出能量計算方法，以計算壓電 感知器件在日交通荷載作用下輸出能量。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種考慮交通狀況的壓電感知器件的輸出能量計算方法，包括以下步驟：

S1、構建壓電感知器件的受力模型；

S2、構建壓電材料的等效電荷源模型；

S3、將受力模型和電荷源模型進行耦合，得到壓電感知器件在車輛軸 載作用下的輸出能量。

優選的，步驟1中所述構建受力模型為半波正弦模型，將壓電感知器件 在車輛駛過時的荷載進行轉換得到半波正弦模型；

F(t)＝F_maxsin(ωt)

其中，l為加載長度，D為輪胎接地長度，d為壓電感知器件長度，t為 相應時間，ω為等效加載速度；F_max為車輛靜止時作用于感知器件表面的荷 載，T為加載周期；v為車速。

優選的，步驟2中所述構電荷源模型如下：

i(t)＝i_c(t)+i_R(t)

其中，i_C為流經感知器件等效電容C的電流；i_R為流經電路負載R的電 流，R即為耗能元件。