[发明专利]一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法

说明书

本发明提供的一种考虑交通状况的压电感知器件输出能量方法，构建压电感知器件在车辆驶过时的荷载转换为半波正弦模型，以及压电材料的等效电荷源模型，然后对两个模型进行解耦，得到压电感知器件在车辆轴载作用下的输出能量。本发明提出的考虑交通状况的压电感知器件能量输出算法，明确给出了道路荷载与压电材料的力电耦合方程，为研究道路交通状况对压电感知器件能量输出的影响打下基础，为压电感知器件在道路工程中的设计提供理论支持。较开路电压和最大输出功率更为具体的反映了其能量输出，填补了道路交通荷载作用下压电感知器件能量输出计算方法的空白。

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种考虑交通状况的压电感知器件 输出能量计算方法。

背景技术

智慧交通作为物联网技术不断发展的产物，其高效、安全的运行离不开 各感知终端数据的采集。数据采集终端数量繁多，建设过程中为其配套的供 电线路长，总体施工繁琐。若能开发一种既能作为感知器件，采集周围交通 环境的信息，又能汲取环境的潜在能量为自身的稳健运行提供电能的设备， 则即可节约工程造价又能在一定程度上推动智慧交通的发展。

压电装置作为一种传统的信号收发装置，在外力作用下，其内置的压电 材料表面会出现异号电荷，进而吸收外部机械能并将其转化为电能。目前， 压电装置广泛应用于水声、超声和医学等领域，但将其应用于道路领域的案 例屈指可数。在为数不多的关于压电器件在道路工程的研究中，研究人员多 是对压电器件的压电性能进行测试，对其输出能量的研究仅局限在描述开路 电压的大小和瞬时功率的多少。要想将其作为自供能压电感知器件应用于道 路环境，必须对其输出能量有一定的了解。而开路电压作为能量转化的一宏观指标，并不能反映压电感知器件输出能量的大小。另外，将压电装置用于 道路环境，道路环境中的交通荷载非连续，且具有随机性、不均匀性，交通 荷载状况的变化影响压电感知器件输出能量，因此用瞬时功率反映单纯的压 电装置的俘能效果尚可，但将其用于反映交通荷载作用下自身输出能量则不 具有代表性。

因此提出一种考虑交通荷载状况的，用于估计压电感知器件自身输出能 量的计算方法，对压电感知器件在道路工程的应用有重要参考价值和指导意 义。

发明内容

针对现有技术中缺少能够准确计算压电感知器件的输出能量的问题，本 发明提供一种考虑交通状况的压电感知器件输出能量计算方法，以计算压电 感知器件在日交通荷载作用下输出能量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，包括以下步骤：

S1、构建压电感知器件的受力模型；

S2、构建压电材料的等效电荷源模型；

S3、将受力模型和电荷源模型进行耦合，得到压电感知器件在车辆轴 载作用下的输出能量。

优选的，步骤1中所述构建受力模型为半波正弦模型，将压电感知器件 在车辆驶过时的荷载进行转换得到半波正弦模型；

F(t)＝F_maxsin(ωt)

其中，l为加载长度，D为轮胎接地长度，d为压电感知器件长度，t为 相应时间，ω为等效加载速度；F_max为车辆静止时作用于感知器件表面的荷 载，T为加载周期；v为车速。

优选的，步骤2中所述构电荷源模型如下：

i(t)＝i_c(t)+i_R(t)

其中，i_C为流经感知器件等效电容C的电流；i_R为流经电路负载R的电 流，R即为耗能元件。