刘 杰，孙春华，王 锋

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

随着人类能源需求的不断增大，化石能源等不可再生资源的不断减少，越来越多的人把目光投射到了太阳能、风能等环境能源上[1]。在这些环境能量中，振动能量占有很大的比例，且不受日光、风等自然因素的限制。因此，很多人开始着手研究收集环境中的振动能量[2]。已使用的振动能量收集方式主要有：电磁式能量收集技术、静电式能量收集技术、压电式能量收集技术、磁致伸缩式能量收集技术以及复合式能量收集技术[3-7]。采用压电式能量收集技术，具有结构简单、换能效率高等特点，使用较为广泛。压电陶瓷作为压电能量收集技术的基础，同时也被普遍使用在各种传感技术中[8]。

本研究设计一种压电能量收集系统，铺设在路面之下，用来收集车辆行驶中产生的振动能量。同时，在某些场合，该系统通过实时分析收集到的振动能量数据，能够识别出当时通过该路段的车辆类型(可将行人也作为一种车辆)。

1 正压电效应

压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应[7]。其中，正压电效应是指当压电陶瓷受到外力时，会在其内部产生电极化，从而将机械能转化为电能的现象。正压电效应一般可以用d33和d31模型来表征，如图1所示[8]。

图1 压电陶瓷的d31和d33模型

由图1可看出，d33和d31模型分别表征了压电材料受到轴向力和径向力时的发电情况，其具体的关系如下[8]：

式中：S(6×1)为应变张量；T(6×1)为应力张量；SE(6×6)为常电场条件下压电材料柔度系数张量；CE(6×6)为刚度张量；D(3×6)为压电应变常数张量；D(3×1)为电位移张量；E(3×1)为外部电场张量；E(3×3)为机电耦合张量；ε(3×3)为介电常数张量。

2 压电能量收集系统设计

压电能量收集系统如图2所示。整个系统由压电片阵列振动发出交流电，发出的交流电经过AC/DC转换电路整流成要求的直流电，通过电容、充电电池等能量存储器件将转换好的直流电收集起来给负载使用，在收集直流电的同时，用AD芯片实时监控直流电的数据，通过分析数据辨识车辆。

压电陶瓷阵列如图3所示。在圆形导电金属片上敷上压电陶瓷就构成了单个压电片，如图3(a)、3(b)所示；单个压电片的输出电压及电流是不能满足AC/DC电路的要求，需要先将单个压片串联起来以满足电压要求，然后再把各串联起来的链路并联起来以满足电流要求[7]，如图3(c)所示。

图2 压电能量收集系统

图3 压电陶瓷阵列

综合考虑到成本和能量转换效率，AC/DC电路选用了MB6S整流桥芯片。MB6S是一种SMD式器件，采用SOIC封装方式，是一种整流桥，常被用于小功率开关电源，充电器等小电流领域产品。MB6S最高耐压可达600 V，特别适用于压电陶瓷产生的高电压、低电流的电能转换。能量收集电路需要根据实际负载的特性而作出设计，本研究的能量收集系统主要用于点亮LED灯，则能量收集电路比较简单，用一个稍大一点的电容即可。

3 车辆识别的实现与实验测试结果

3.1 车辆识别的实现

路面上不同车辆的重量和运行方式是有很大不同的(特别是行人，电动车和汽车之间)，而从式(1)、式(2)中可以知道，压电陶瓷发出电能的大小与外界应力的大小成正比。这样，当车辆通过埋设有压电片阵列的路面时，压电陶瓷所发出电能的波形是有很大不同的。通过分析压电陶瓷所发出电能的波形，就不难得出经过的是什么车辆，而且还能分析出该车辆是否超速、是否超载等信息。

假设将压电片阵列埋于道路之中，宽0.3 m，如图4所示(箭头指示了车辆行驶方向)。根据实际经验，行人的行驶速度约为1 m/s；电瓶车行驶速度约为10 m/s，两轮之

间的轴距约为1 m(两轮、三轮基本参数相同，但重心位置不同)；小汽车行驶速度约为20 m/s，前后轮之间的轴距约为2.5 m。将所说的车辆全部理想化处理，再根据式(1)、式(2)不难计算出。

行人的通过能量收集区将产生一个脉冲宽度为0.3/1=0.3 s，幅值为A(A的值根据压电片阵列的组合而定)的脉冲；两轮电瓶车的通过将产生两个脉冲宽度为0.3/10=0.03 s，幅值为B(B＞A)的脉冲，两个脉冲之间间隔为1/10=0.1 s；三轮电瓶车的通过将产生两个脉冲宽度为0.3/10=0.03 s，一个幅值约为B，另一个幅值约为1.5B的两个脉冲，两个脉冲之间间隔为1/10=0.1 s；小汽车的通过将产生两个脉冲宽度为0.3/20=0.015 s，幅值为C(C＞B)的脉冲，两个脉冲之间间隔为1/20=0.05 s。4种车辆行驶过能量收集区时，压电片阵列应该发出的电压波形如图5所示。通过脉冲幅值的大小，很容易得出车辆是否超重；根据两个脉冲之间的时间间隔，容易得出车辆是否超速。

图4 压电片阵列道路埋设图

图5 不同车辆产生的电压波形

3.2 实验测试结果

将压电片阵列埋于地下，用行人和电瓶车做测试，使用A/D芯片实时将压电片阵列发出电量的多少采集到电脑中，得到的实验结果如图6所示。

图6 行人和电瓶车实际产生波形

由图6可以看出，系统很好地收集到车辆振动产生的能量，并通过电脑记录了实时发电量。由实验数据和理论分析得出：行人产生的波形在峰值上超过了电瓶车；行人产生了2个脉冲，而电瓶车产生了4个脉冲。产生这两个不同点的原因是由于人为理想化了车辆模型，而在实际中车辆的数学模型是非常复杂的。但同时，也注意到不同车辆经过时产生的波形与前面分析的结果在定性的分析上是基本一致的，即行人和电瓶车产生的波形有很大差别，电瓶车产生的脉冲数是行人的两倍。因此，利用压电陶瓷收集能量并识别车辆是完全可行的。

4 结论

本研究设计了一种具有车辆识别功能的压电能量收集系统，利用压电陶瓷的特性，在已有能量收集功能的系统上增加了车辆识别功能。实验表明，此能量收集系统能够很好地收集车辆行驶时产生的振动能量，并能够大致分辨出具体的车辆类型。如果能够进一步提高能量收集效率，增强车辆识别能力，此系统将会有很大的应用前景。