一种人行横道机械能转换储存、警示装置的制作方法

本实用新型涉及交通辅助工具技术领域，具体地指与交通信号灯配合使用的一种人行横道机械能转换储存、警示装置。

背景技术：

过马路时行人闯红灯是目前常见的现象，这样的行为会产生巨大的交通隐患，引发许多交通事故。为了规范斑马线行人通行管理，越来越多大、中城市安排工作人员人为的引导管理，但需要投入大量的人力和物力。

由于岔路口环境复杂、交通事故概率最高，因此改善交通状况、降低交通事故发生率迫在眉睫。现有人行横道仅有提示过往行人、司机的作用，缺乏实时警示的功能。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是要提供一种人行横道机械能转换储存、警示装置，其可将机械能量转换成电能收集，并警示行人及过往车辆，具有延长道路使用寿命、降低交通事故发生概率的作用。

为实现上述目的，本实用新型所设计的一种人行横道机械能转换储存、警示装置，设置在公路面层和公路基层之间，包括设置在路面的外壳、所述外壳内设有压电换能模块、控制模块和储能模块，所述外壳上还设有警示模块，所述外壳的底端还设有阻尼装置，所述压电换能模块通过控制模块与储能模块连通，所述储能模块通过控制模块与警示模块连通。阻尼装置主要用于减少竖向位移，限制竖向最大位移量，保证压电换能模块、控制模块和储能模块不会因变形过大而受到破坏，以及行人、车辆经过而不产生颠簸感。

进一步地，所述压电换能模块包括多个压电换能器，多个所述压电换能器均匀布置在外壳的内顶面。

进一步地，所述压电换能模块还包括多个隔层，所述压电换能器均匀布置在相邻两隔层之间。

更进一步地，所述隔层的两端还设有限制隔层竖向位移的限位器。限位器用于限制隔层竖向位移，主要作用是使各隔层间的压电换能器均匀受力。

进一步地，所述外壳内还设有内壳，所述内壳底部与外壳底部相连接，所述外壳底部固定在公路基层内，所述压电换能模块设置在外壳内顶面与内壳外顶面之间，所述控制模块和储能模块设置在内壳内。

进一步地，所述压电换能器包括两片金属帽和压电陶瓷，所述压电陶瓷设置在两片金属帽之间。金属帽为铜质材料，附着在压电陶瓷上下表面，金属帽主要作用是将竖向的轴向力尽可能的转换为径向力，提高了压电换能器的疲劳强度以及抗压强度。压电陶瓷材料为圆形的PZT—5H，主要作用是通过冲击荷载使得具有压电效应的压电陶瓷变形，将这部分冲击荷载的机械能转换为电能。

更进一步地，所述控制模块包括设置在电路板上的稳压装置，所述控制模块通过稳压装置将压电换能模块传入的不稳定电能转换为稳定的电能并传入储能模块储能。

进一步地，所述警示模块包括警示灯、光敏电阻，所述压电换能模块还包括压敏电阻，所述光敏电阻和压敏电阻均与控制模块连通。

作为优选项，所述警示模块有多个，多个所述警示模块均匀设置在外壳的外顶面四周。

作为优选项，所述外壳的外顶面与路面平齐。

本实用新型的优点在于：其解决了目前人行横道无法实时主动警示的过往行人与司机的问题，降低岔路口交通事故发生概率。另一方面，其设于人行横道处，用于代替人行横道，吸收该处的振动能量，将本以热能形式耗散的机械能转换储存起来，降低该处的地面温度，有助于延长路面使用寿命，减少不均匀沉降。

附图说明

图1为本实用新型的俯视示意图；

图2为图1中A-A截面示意图；

图3为图1中B-B截面示意图；

图4为压电换能器的俯视示意图；

图5为压电换能器的正视示意图；

图6为本实用新型的使用状态示意图；

图7为本实用新型的原理流程图。

图8为本实用新型电路等效模型。

图中：外壳1、压电换能模块2(其中：压电换能器2.1、金属帽2.1.1、压电陶瓷2.1.2、隔层2.2、限位器2.3)、控制模块3、储能模块4、警示模块5(其中：警示灯5.1)、阻尼装置6、内壳7、公路基层(8)、公路面层(9)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述：

如图1～6所示的一种人行横道机械能转换储存、警示装置，设置在公路面层9的公路基层8内，其特征在于：包括设置在路面的外壳1、所述外壳1的外顶面与公路面层9上顶面平齐，所述外壳1底面与公路基层8接触。所述外壳1内设有压电换能模块2、控制模块3和储能模块4以及内壳7，所述外壳1上还设有警示模块5，所述外壳1的底端还设有阻尼装置6，所述压电换能模块2通过控制模块3与储能模块4连通，所述储能模块4通过控制模块3与警示模块5连通。所述压电换能模块2包括多个压电换能器2.1，多个所述压电换能器2.1均匀布置在外壳1的内顶面。所述压电换能模块2还包括多个隔层2.2，所述压电换能器2.1均匀布置在相邻两隔层2.2之间。所述隔层2.2的两端还设有限制隔层2.2竖向位移的限位器2.3。所述外壳1内还设有内壳7，所述内壳7固定在外壳1内部底端，所述压电换能模块2设置在外壳1内顶面与内壳7外顶面之间，所述控制模块3和储能模块4设置在内壳7内。所述压电换能器2.1包括两片金属帽2.1.1和压电陶瓷2.1.2，所述压电陶瓷2.1.2设置在两片金属帽2.1.1之间。所述控制模块3包括设置在电路板上的稳压装置，所述控制模块3通过稳压装置将压电换能模块2传入的不稳定电能转换为稳定的电能并传入储能模块4储能。所述警示模块5包括警示灯5.1、光敏电阻，所述压电换能模块2还包括压敏电阻，所述光敏电阻和压敏电阻均与控制模块3连通。所述警示模块5有多个，多个所述警示模块5均匀设置在外壳1的内部四周。

如图7，本实用新型实际使用时：

根据公路现行规范，机动车轴载最高为0.7MPa。根据实践表明，在低速行驶下，公路两点间不均匀沉降在9mm以内，车内人员颠簸感不明显。

根据第一类及第四类压电方程可得钹型压电换能器压电陶瓷2.1.2径向变形与轴向变形之间的函数关系，

上式中上式中S_r、S_θ、S_z分别为压电振子的柱坐标三个方向径向、切向、轴向上的应变分量；T_r、T_θ、T_z为压电振子上的应力分量；s^E₁₁,s^E₁₂、s^E₁₃为压电振子的弹性柔顺常数分量；d₃₁、d₃₃为压电振子的压电常数分量；E_Z为轴向电场强度。

根据碟簧理论得金属帽应力公式：

其中E为金属钱片弹性模量；u为金属钱片泊松比。

控制模块3包括并联同步开关电感电路和DC/DC变换器。并联同步开关电感电路的输入端和压电元件的电能输出端子相连，用于将压电元件产生的交流电转换成直流电。DC/DC变换器和并联同步开关电感电路连接，用于调整由全该电路桥整流装置输出的电压和电流。功率开关器件在DC/DC变换器中，用来执行控制信号传达的指令。

如图8，根据并联同步开关电感电路原理，在电路中桥式整流器与钹形压电换能器之间并联电感和开关。并联同步开关电感电路通过换能器输出电压峰值时闭合或断开，通过L-C振荡电路原理延长充电时间。

根据以上理论及Ansys有限元进行模拟分析：直径32mm，内腔高度1mm，压电陶瓷2.1.2厚度为4mm的钹型压电换能器，每次在单个装置上施加最高轴载，每个压电换能器可输出38.8mW的电能，单个装置共输出约为13W的电能。控制模块3将交流电转换为直流电，并将直流电输出到储能模块4储存。

实现高效率转换收集机械能包含如下步骤：

当行人、车辆经过铺设本装置的路口时，行人踩踏和车辆碾压的脉冲荷载作用于外壳1的上表面，阻尼装置6与内壳7相互滑动，因此与整个上表面发生向下的整体竖向刚体位移，阻尼装置6与外壳1下表面连接，外壳1下表面与公路基层8接触，故并未发生竖向位移，产生的竖向位移差值将会与压电换能模块2产生协调变形，压电换能器2.1将会产生波动幅度较大的电压与电流，控制模块3稳定压电换能器2.1因形变所产生的电压电流，并将其储存到储能模块4中。

当位移达到一定数值时，由于阻尼装置6产生作用，将会限制阻尼装置6竖向位移，同理，仍可得到稳定的电压电流，并将其储存。由于控制模块3上连接有光敏电阻与压敏电阻，当白天行人、车辆在经过铺设本装置的路口时，控制模块3控制储能模块4储存压电换能器2.1转换的电能，此时光敏电阻控制电路只储存能量。在夜间行人、车辆通过铺设本装置的路口时，控制模块3控制储能模块4在储存电能，同时由于光敏电阻在夜间失去作用，行人、车辆触发压敏电阻，使警示模块5闪光，警示周边行人、司机：此时此处有行人或者车辆正在通过路口；若在夜间行人、车辆未经过本装置，警示模块5将处于休眠状态。

最后，应当指出，以上实施例仅是本实用新型较有代表性的例子。显然，本实用新型不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本实用新型的保护范围。