一种路用压电换能装置及方法与流程

本发明属于道路工程领域，涉及一种路用压电换能装置及方法。

背景技术：

随着物联网技术的发展，多元信息相互融合。作为物联网技术应用领域的分支，智慧交通的发展同样以复杂的交通环境信息为基础。各式各样的传感器承担着道路交通信息采集的任务，然而作为传感器的供能装置，化学电池耐久性差的问题制约了传感器长期工作的能力，同时也给传感器后期维护工作带来诸多不便。为传感器配置一种长期性能优良的供能装置意义重大。

道路环境中的潜在能源多种多样，如常见的光能、风能、热能等绿色可再生能源。将绿色可再生能源转化为电能，为传感器供能，有望延长其工作时限。然而光能、风能和热能的收集受环境影响显著，当天气连续多天阴雨连绵，该供能设备的工作性能同样受到影响。道路环境除了上述三种常见的绿色能源外，车辆行驶过程中由车辆重力或振动作用于路面的弹性能容易被人们忽略。我国道路里程长，车辆基数大，路面弹性能作为潜在的绿色能源，“储量”丰富。路面弹性能最终以热能形式耗散在路面结构，对路面结构造成不利影响。利用压电技术，将车辆荷载对路面做功部分转化为电能，一方面降低了路面车辙等病害产生的风险，另一方面，将该种形式的电能加以收集，为供能装置的研发提供了新思路，且该种类型供能装置受气候影响较小。

利用压电技术制备压电装置，并将压电装置埋置在路面结构内部，当车辆驶过埋有压电装置的区域时，压电装置将产生电能。现有压电装置结构类型有钹式、桥式、拱式、多层式、悬臂梁式等，不同类型压电装置压电效果不同。钹式和桥式压电装置压电效果较优，但其耐久性差；多层式压电装置抗压能力极强，但其压电换能效果一般；悬臂梁式压电装置中压电元件变形大，压电效果较优，但不宜直接将其用于路面结构内部。因此，开发一种适用于路面环境，兼具压电性能和耐久性能的压电装置十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种路用压电换能装置及方法，解决了现有压电装置耐久性与压电性能不相容的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种路用压电换能装置，包括外部壳体、压头、传动装置和压电换能装置；

底座内部设置有圆柱体空腔，圆柱体空腔与底座顶面连通，压电换能装置设置在底座内部的圆柱体空腔内；

压电换能装置包括压电材料、衬片电极、固定块和导线，压电换能装置为圆环状，圆环内层采用并联在一起的压电材料，至少有三个固定块均匀设置在圆环外层周面上，两个相邻的固定块之间设置有衬片电极，衬片电极与底座内壁间隙设置；导线为两根，一根连接在压电材料表面，另一根连接在衬片电极上，两根导线均输出至外部壳体外侧；

传动装置设置在压电换能装置的圆环内部，传动装置包括空心圆柱、复位弹簧、内转动臂、外转动臂、导轮、伸缩弹簧、和轴承；轴承外圈固定在底座圆柱体空腔的底部，空心圆柱与压电换能装置同轴竖直设置，空心圆柱与轴承内圈连接，位于轴承上方，空心圆柱内部设置有第一通孔，第一通孔内部设置有复位弹簧，复位弹簧一端与轴承内圈连接，另一端自由设置；第一通孔远离轴承部分，内壁上设置有螺纹，空心圆柱外侧周面上均匀设置有与固定块数量相同的内转动臂，外转动臂靠近内转动臂的一端设置有盲孔，盲孔嵌套在内转动臂的自由端，与内转动臂周面滑动连接，伸缩弹簧一端连接内转动臂自由端，另一端连接外转动臂盲孔底部；导轮固定在外转动臂靠近压电换能装置的一端，导轮的转轴与空心圆柱的轴线平行，工作时，导轮接触并挤压压电材料；

压头设置在传动装置上方，压头底部设置有螺纹柱，螺纹柱与压头同轴，螺纹柱与空心圆柱内部通孔的螺纹部分连接，未工作时，压头底部与空心圆柱顶部间隙设置。

优选的，圆柱体空腔内壁上设置有竖直的凹槽，凹槽顶部连通底座顶部，凹槽与固定块形状配合且数量相同。

进一步，凹槽为横截面是梯形的梯形凹槽，固定块靠近梯形凹槽的部位，设置有水平截面为梯形的凸块。

优选的，底座顶部设置有盖板，盖板中心处设置有第二通孔。

进一步，压头包括上压头和下压头，上压头直径小于下压头，上压头直径小于第二通孔直径，上压头穿过第二通孔，下压头直径大于第二通孔直径，下压头设置在底座内部圆柱体空腔内，位于空心圆柱上方。

再进一步，上压头的周面上设置有键，盖板在第二通孔边沿区域设置有键槽，键与键槽滑动连接。

优选的，压电材料为薄片式，两面分别为正负极，一面与衬片电极表面连接，另一面为自由面，为压电换能装置的内壁。

优选的，内转动臂数量与固定块数量相同，均为四个。

一种路用压电换能方法，将上述任意一项所述的路用压电换能装置设置在路面结构内部，压头顶面与路表平行设置，当压头受到竖直载荷时，压头将竖直载荷传递给螺纹柱，螺纹柱在竖向荷载的作用下逐渐深入传动装置的空心圆柱内部，螺纹柱通过与第一通孔内螺纹的配合，螺纹柱不发生转动，而空心圆柱在轴承的辅助下绕螺纹柱正转，空心圆柱内复位弹簧逐渐被压缩，内转动臂随空心圆柱一起正转，内转动臂转动到固定块位置时，伸缩弹簧压缩，内转动臂转动到两固定块中间时，伸缩弹簧伸长，导轮碾压压电材料，压电材料产生弯曲变形，压电材料被碾压侧和未被碾压侧产生异号电荷，伸缩弹簧由压缩到伸长的过程中，压电材料输出电压逐渐增大，电荷由导线输送到装置外侧；当压头受到的竖直载荷消失时，螺纹柱在空心圆柱内部复位弹簧作用下逐渐上升，复位弹簧逐渐恢复原状，螺纹柱逐渐从空心圆柱内部抽出，此时空心圆柱、内转动臂和轴承均反转，压电材料在复位的过程中继续输出电压，电压幅值变化趋势与受压过程相反。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过螺纹柱与第一通孔内螺纹的配合，能够在压头受到竖直载荷时，空心圆柱在轴承的辅助下绕螺纹柱转动，内转动臂随空心圆柱一起正转，转动过程中伸缩弹簧发生伸缩变形，导轮碾压压电材料，压电材料产生更大的弯曲变形，压电材料被碾压面与未被碾压面产生异号电荷，转动臂逐渐靠近固定块时，伸缩弹簧发生压缩变形，压电材料输出电压逐渐减小，转动臂靠近两固定块中间时，伸缩弹簧逐渐伸长，压电材料输出电压逐渐增大，电荷由导线输送到装置外侧，均匀设置的内转动臂和压电材料，使得装置工作过程中压电材料协同变形，解决了各压电材料变形不一致导致的电压相位相互干扰的问题，同时内转动臂自由端设置伸缩弹簧，在导轮与压电材料接触时起缓冲作用，使压电材料和导轮均有适当活动范围，防止压电材料在导轮的碾压下发生破坏，提高压电材料耐久性。

进一步，圆柱体空腔内壁上设置有梯形凹槽，梯形凹槽与固定块上梯形的凸块配合，一是起滑轨作用，由于压电材料两端固定在固定块上，当压电材料失效或固定块损坏时，可实现固定块与压电材料的便捷安装与更换。二是起约束作用，将固定块约束在空腔内壁，自约束减少了螺钉的使用，使结构紧凑；三是梯形凹槽底部与固定块共同起限位作用，使压头只能下降至固定块顶部，防止压头进一步向下移动，破坏内部传动装置。

进一步，本发明压头分为上压头和下压头，上压头直径小于下压头，下压头设置在圆柱体空腔内部，此种设计使得压电装置为全压式构件，压头处的竖向荷载全部作用于传力装置，使传力装置更好的运转，增加压电装置电能输出。

进一步，上压头的周面上设置有键，盖板在第二通孔边沿区域设置有键槽，键与键槽滑动连接，防止出现压头转动，传动装置不转的情况。

附图说明

图1为本发明装置俯视图。

图2为本发明装置正视图。

图3为本发明外部壳体结构示意图。

图4为本发明压头结构示意图。

图5为本发明传动装置结构示意图。

图6为本发明压电换能装置结构示意图。

图7为本发明使用的能量收集电路示意图。

图8为本发明使用能量管理芯片ltc3331详细内部结构图。

图9为悬臂梁式压电装置结构示意图。

图10为钹式压电装置结构示意图。

图11为桥式压电装置结构示意图。

图12为多层式压电装置结构示意图。

其中：1-外部壳体；2-压头；3-传动装置；4-压电换能装置；101-底座；102-盖板；103-梯形槽；201-上压头；202-下压头；203-螺纹柱；301-空心圆柱；302-复位弹簧；303-内转动臂；304-外转动臂；305-导轮；306-伸缩弹簧；307-转盘；308-转盘外壳；309-转珠；401-压电材料；402-衬片电极；403-固定块；404-导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1和图2所示，本发明所述的一种路用压电换能装置，包括：外部壳体1、压头2、传动装置3和压电换能装置4。外部壳体1、压头2和传动装置3均采用尼龙材料，其中外部壳体1包括底座101和盖板102；压头2包括上压头201、下压头202和螺纹柱203；传动装置3包括空心圆柱301、复位弹簧302、内转动臂303、外转动臂304、导轮305、伸缩弹簧306、和轴承；压电换能装置4包括压电材料401、衬片电极402、固定块403和导线404。

底座101内部设置有圆柱体空腔，圆柱体空腔与底座101顶面连通，压电换能装置4设置在底座101内部的圆柱体空腔内。

压电换能装置4为圆环状，圆环内层采用并联在一起的压电材料401，至少有三个固定块403均匀设置在圆环外层周面上，两个相邻的固定块403之间设置有衬片电极402。

传动装置3设置在压电换能装置4的圆环内部，轴承外圈固定在底座101圆柱体空腔的底部，空心圆柱301与压电换能装置4同轴竖直设置，空心圆柱301与轴承内圈连接，位于轴承上方，空心圆柱301内部设置有第一通孔，第一通孔靠近轴承部分，内部设置有复位弹簧302，复位弹簧302一端与轴承内圈连接，第一通孔远离轴承部分，内壁上设置有螺纹，空心圆柱301外侧周面上均匀设置有与固定块403数量相同的内转动臂303，每个内转动臂303自由端均通过伸缩弹簧306与导轮305连接，导轮305的转轴与空心圆柱301的轴线平行，任何时候时，导轮305始终接触并挤压压电材料401或固定块403区域。

压头2设置在传动装置3上方，压头2底部设置有螺纹柱203，螺纹柱203与空心圆柱301内部通孔的螺纹部分连接，未工作时，压头2底部与空心圆柱301顶部间隙设置。

如图3所示，底座101外部形状为规则六面体，内部空腔为圆柱体空腔，圆柱体空腔内壁上设置有竖直的凹槽，凹槽顶部连通底座101顶部，凹槽能够与固定块403配合连接，本实施例优选的凹槽为横截面是梯形的梯形凹槽，梯形凹槽与固定块403上梯形凸块匹配，起滑轨和固定作用。四个梯形凹槽沿圆柱体空腔内壁均匀分布，底座101上表面四角有第一螺丝孔。

盖板102中心处设置有第二通孔，第二通孔直径略小于圆柱体空腔直径，盖板102在第二通孔边沿区域设置有键槽。盖板102上表面有四个第二螺丝孔，其位置与第一螺丝孔对应，通过螺钉将盖板102和底座101连接。盖板102将传动装置3封在底座101内部。

螺钉一半位于底座101，一半位于盖板102上，用于连接底座101与盖板102。

底座101上设置有出线孔，出线孔位于底座101侧面，长度贯穿底座101侧壁。

如图4所示，压头2包括上压头201和下压头202，螺纹柱203与上压头201和下压头202同轴，上压头201直径小于下压头202，上压头201高度大于盖板102高度，上压头201直径小于第二通孔直径，使上压头201穿过第二通孔，上压头201的周面上设置有键，键与键槽滑动连接。下压头202与上压头201相连，下压头202底面高于固定块403顶部，二者间隙为下压头202活动空间，固定块403还起到限位作用，保护传动装置3。下压头202直径小于底座101内部圆柱体空腔直径，下压头202直径大于第二通孔直径，使盖板102对压头2进行限位，下压头202设置在底座101内部圆柱体空腔内，位于空心圆柱301上方。

螺纹柱203固定在下压头202底面中心位置，螺纹柱203侧面有螺纹，螺纹柱203上螺纹的导程角为15°～60°。螺纹柱203直径略小于第一通孔直径。在压头2传来的竖直荷载作用下，螺纹柱203逐渐深入空心圆柱301内部。螺纹柱203和空心圆柱301内部螺纹的螺距控制转动臂的转动速度，改变压电材料401弯曲变形频率，从而调节压电材料401电能输出。

如图5所示，空心圆柱301的通孔，靠近下压块部分内壁设置有螺纹，对应螺纹柱203的外螺纹，螺纹部分长度大于空心圆柱301长度的一半，靠近轴承部分内壁为光面，光面摩擦阻力小，便于复位弹簧302上下活动。空心圆柱301底部与转盘307相接，与转盘307一起转动。

复位弹簧302放在空心圆柱301通孔靠近轴承部分，复位弹簧302长度大于空心圆柱301长度的一半，复位弹簧302下端固定在转盘307上表面中心处，上端自由设置，并连接有一个滑动板底部。工作时，复位弹簧302上端与螺纹柱203底面接触。

内转动臂303靠近空心圆柱301的一侧为弧形曲面，弧形曲面紧贴空心圆柱301外部周面；内转动臂303远离空心圆柱301的一侧为内转动臂303顶面，其截面为矩形平面。各内转动臂303之间夹角相同，内转动臂303数量与固定块403数量相同，为四个。

外转动臂304靠近内转动臂303的一端设置有盲孔，盲孔嵌套在内转动臂303的自由端，使外转动臂304可顺内转动臂303外侧滑动，内转动臂303充当外转动臂304的滑轨。

伸缩弹簧306位于外转动臂304和内转动臂303之间，即位于外转动臂304盲孔内部。伸缩弹簧306横向放置，一端连接内转动臂303顶面，另一端连接外转动臂304盲孔底部。

导轮305固定在外转动臂304靠近压电换能装置4的一端。工作时，导轮305绕轮轴转动，导轮305碾压压电材料401。导轮305转动时，其转动方向总是与内转动臂303和外转动臂304相反。

轴承包括转盘307、转盘外壳308和转珠309；转盘307封闭在转盘外壳308内部，转盘307顶面与空心圆柱301底面相连，转盘307顶面还与复位弹簧302相连。转盘307一方面承担上部传来的竖向荷载，一方面带动内转动臂303、外转动臂304和空心圆柱301转动。

转盘外壳308固定在圆柱体空腔底部中心，转盘外壳308直径小于两个相对固定块403的间距。

转珠309位于转盘外壳308内部，具体位于转盘307周面与转盘外壳308内壁之间，转珠309分别与转盘307和转盘外壳308相接，但彼此之间存在微小间距。

如图6所示，压电材料401选用具有良好压电换能效果的pzt-5h型压电材料401。压电材料401为薄片式结构，薄片一面为正极，一面为负极。压电材料401正极固结在衬片电极402表面，负极为自由面，为压电换能装置4的内壁，正负极也可以位置互换。各压电材料401之间并联连接，最后由导线404统一输出。

衬片电极402为薄铜片，衬片电极402一面与压电材料401固结，另一面左右两端分别固定在相邻的固定块403边缘。

固定块403靠近衬片电极402部位为竖直设置的长方体，靠近梯形凹槽的部位，设置有水平截面为梯形的凸块，凸块嵌在梯形凹槽内部，固定块403与衬片电极402相接，衬片电极402与底座101内壁间隙设置，间隙为固定块403长方体部位的宽度。固定块403采用绝缘材料制成。

导线404包括正极导线404和负极导线404，一根焊接在压电材料401表面，作为并联在一起的压电材料401的总线输出，另一根焊接在衬片电极402上。通过导线404，压电换能部分转化的电能可输出到压电装置外部。

输出的能量可由储能电路进行收集，本案例选用先进的集能量收集、电能存储、电池管理和放电管理于一体的能量管理芯片ltc3331作为改进能量收集电路，图7为改进能量收集电路示意图，输出后的能量可为路域环境中的各低功率传感器供能，也可利用电池将能量进行收集。图8为能量管理芯片ltc3331详细内部结构图。

以压电换能装置4埋设在路面结构内部为例，上压头201顶面与路表平行。车辆荷载逐渐靠近埋设有压电装置的路面区域上方时，车辆荷载通过路面结构上面层传递到压电装置上压头201，上压头201与下压头202刚性连接，上压头201将荷载传递给下压头202，下压头202继续将竖向荷载传递给螺纹柱203。螺纹柱203在竖向荷载的作用下逐渐深入传动装置3的空心圆柱301内部，空心圆柱301内部第一通孔的上半部分有与螺纹柱203匹配的内螺纹，此时由于上压头201和盖板102上键与键槽的限位作用，使得螺纹柱203不发生转动，而空心圆柱301在转盘307的辅助下绕螺纹柱203正转，螺纹柱203逐渐被空心圆柱301包裹，螺纹柱203底部逐渐通过滑动板压缩复位弹簧302，空心圆柱301内复位弹簧302逐渐被压缩。空心圆柱301正转时，内转动臂303和外转动臂304随空心圆柱301一起正转，导轮305转动到固定块403位置时，固定块403位置固定，伸缩弹簧306发生压缩变形，导轮305转动到两固定块403中间时，压电材料401被导轮305挤压向外侧发生弯曲形变，伸缩弹簧306发生伸长变形，外转动臂304逐渐向内转动臂303自由端移动，导轮305碾压竖向放置的压电材料401，压电材料401产生更大的弯曲变形，压电材料401被碾压侧和未被碾压侧产生异号电荷，伸缩弹簧306由压缩到伸长的过程中，压电材料401输出电压逐渐增大，电荷由导线404输送到装置外侧。转盘307转动时，转盘外壳308保持静止，转珠309辅助转盘307转动。如图2所示，当车辆荷载在压电装置正上方时，螺纹柱203下降到最低位置，下压头201与固定块403或空心圆柱301顶部接触。车辆荷载逐渐驶离压电装置时，作用于压头2上的竖向荷载逐渐减小，螺纹柱203在空心圆柱301内部复位弹簧302挤压下逐渐上升，复位弹簧302逐渐恢复原状，螺纹柱203逐渐从空心圆柱301内部抽出，此时空心圆柱301、内转动臂303、外转动臂304和转盘307均反转，伸缩弹簧306变形轨迹与受压过程相反，压电材料401在复位的过程中继续输出电压，电压幅值变化趋势与受压过程相反。本发明首次将压电材料401纵向布设于路用压电换能器内部，将压电材料401变形方向由竖直方向变为水平方向，该种变化拓展了薄层压电材料401的应用领域。

对比例1：悬臂梁式压电装置。

如图9所示，为悬臂梁式压电装置，薄层压电材料401在端部质量块的作用下产生竖直方向的弯曲变形。该装置一般安装在结构物外表面，收集环境中的振动能量，若将其直接用于路面结构内部，首先路面结构阻碍其变形；其次该装置为柔性结构，抗压强度不能满足道路承载要求；最后，路面结构为刚性结构，二者匹配性差，悬臂梁式装置耐久性差，易破坏。

本发明中的压电材料401为横向变形，压电材料401前后有适当变形空间，满足其变形要求。装置整体为刚性结构，空心圆柱301为主要承载构件，抗压强度满足道路承载要求。压电材料401与导轮305直接接触，导轮305处的伸缩弹簧306使得导轮305与压电材料401柔性接触，提高压电材料401耐久性。

对比例2：钹式和桥式压电装置。

如图10和图11所示，分别为钹式、桥式压电装置，两种压电装置结构均为金属端帽-压电材料401-金属端帽。金属端帽和压电材料401均为承压构件，刚性大，二者接合处应力突变，易导致压电材料401脆性断裂。

本发明采用薄层压电材料401，此种材料韧性好，其空间位置与外部刚性封装构件无直接接触，脆性断裂发生概率几乎为零。

对比例3：多层式压电装置。

如图12所示，为多层式压电装置，多层式压电装置抗压强度极高，但其单次标准轴载作用下能量输出较低。本发明所示压电装置承压构件不是柔性压电材料401，而是装置本身，其抗压能力以其自身材料有关，装置外部壳体1、压头2和传动装置3一般采用尼龙材料，其抗压能力突出，满足道路承载要求。多层式压电装置中，多层式压电材料401本身为承压构件，其抗压强度高，刚度大，但其变形能力差，压电能量输出欠佳。因此本发明不仅与多层式压电装置均具有极高的抗压强度，还具有比多层式压电装置变形大，压电能力突出的优点。在0.7mpa标准荷载单次作用下，本发明压电装置能量输出可达0.2j，而多层式压电装置仅为0.05j。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。