CN111159889B - 一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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)＝Fmaxsin(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；Fmax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)＝ic(t)+iR(t)
其中，iC为流经感知器件等效电容C的电流；iR为流经电路负载R的电 流，R即为耗能元件。
优选的，步骤3中受力模型和电荷源模型的耦合方法如下：
步骤3.1、根据力学模型得到车辆荷载作用下电荷源Qa电荷量；
Qa＝d33Fmaxsin(ωt)
其中，d33为感知器件中压电材料压电应变常数。
步骤3.2、根据电荷量和电荷源模型得到电流i(t)；
步骤3.3、根据电流i(t)得到流经负载的电流iR(t)；
其中，|Z|为电路总阻抗；
步骤3.4、根据负载电流iR(t)和电路总阻抗|Z|得到交通荷载作用下输出功 率po(t)；
优选的，步骤3得到输出功率po(t)后，还包括以下步骤：
步骤4、获取设定时间段内经过压电感知器件的车辆数据，并将车辆数 据按照车型、轴型、车速及轴重进行分类；
步骤5、根据车速和轴重确定各车辆对压电感知器件的作用时间和压电 感知器件的受力值；
S6、根据步骤5得到的作用时间和受力值确定单轴驶过时，压电感知 器件的输出能量；
S7、根据步骤6得到的单轴驶过压电感知器件时输出能量，计算车辆 所有轴驶过压电感知器件时，压电感知器件的输出能量；
S8、根据车辆数据，计算某类型车全部驶过压电感知器件时，压电感 知器件的输出能量；
S9、根据车辆数据，计算全部类型车驶过压电感知器件时其总输出能 量。
6.根据权利要求5所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量 计算方法，其特征在于，步骤5中所述压电感知器件的受力值的公式如下：
Fmax＝FloadA1/A0
其中，Fload为汽车轴载，A0为轮胎接地面积，A1为压电感知器件与轮 胎接触面积。
优选的，步骤6中所述压电感知器件输出能量的计算公式如下：
优选的，步骤7中，车辆所有轴驶过压电感知器件时，压电感知器件的 输出能量的计算公式如下：
优选的，步骤8中同类型全部车辆经过压电感知器件时，压电感知器件的输出能量的计算方法如下：
优选的，步骤9中全部类型车驶过压电感知器件时，压电感知器件总的 输出能量的计算方法如下：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
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。
附图说明
图1为本发明压电感知器件荷载函数图；
图2为本发明压电材料电学模型简化图；
图3为本发明压电感知器件在道路结构的布设图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
一种考虑交通状况的压电感知器件输出能量方法，包括以下步骤：
S1、构建压电感知器件的受力模型。
具体为，将压电感知器件的受力模型化，也就是将压电感知器件在车辆 驶过时的荷载转换为半波正弦模型。
参阅图1和3，当压电感知器件嵌入路面表层结构中时，其与路面结构 一起承担交通荷载；当车辆逐渐从压电感知器件正上方驶过时，压电感知器 件承受的车辆荷载先升高后降低；当压电感知器件为矩形或圆形时，其受力 形式略有不同，但总体上都是先增加后减小，为适应更多的压电感知器件形 状并简化计算，将压电感知器件在车辆驶过时的荷载简化为半波正弦模型， 简化的半波正弦荷载如图1所示，半波正弦模型表达式见式1-3。
F(t)＝Fmaxsin(ωt) (1)
其中，l为加载长度，l＝D+d，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；Fmax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。
S2、构建压电材料的等效电荷源模型。
将压电感知器件核心材料简化为电学模型，压电感知器件核心材料为压 电陶瓷，压电陶瓷为介电材料，电极表面在外荷载作用下可聚集电荷，此时 可将其等效为图2虚线框所示的电荷源模型，根据基尔霍夫电流定律，电路 总电流和分支电流有如下关系：
i(t)＝ic(t)+iR(t) (4)
其中，iC为流经压电感知器件等效电容C的电流；iR为流经电路负载R 的电流，R即为耗能元件。
S3、将受力模型和电荷源模型进行耦合，得到车辆轴载作用下压电感 知器件输出能量表达式。
具体为，将压电感知器件的力学模型与压电材料电学模型相耦合，等效 电荷源模型外接负载电阻，见图2，该电阻为能量消耗元件，其消耗的能量 即可理解为压电感知器件在外荷载作用下的输出能量。
输出能量的计算方法如下：
步骤3.1、根据力学模型得到车辆荷载作用下电荷源Qa电荷量，计算方 法见式5。
Qa＝d33Fmaxsin(ωt) (5)
其中，d33为感知器件中压电材料压电应变常数。
步骤3.2、根据电荷量和电荷源模型得到电流i(t)，电荷量对时间的导数 即为电流i(t)，i(t)计算方法见式6。
步骤3.3、根据电流i(t)得到流经负载的电流i0(t)，负载电流i0(t)计算方 法见式7。
其中，|Z|是电路总阻抗，其值由式8算得。
步骤3.4、根据负载电流i0(t)和电路总阻抗|Z|得到交通荷载作用下输出功 率po(t)，负载能耗功率也即压电感知器件在交通荷载作用下输出功率po(t)， po(t)可按式9计算。
S4、调查统计某高速公路日车流量，并对其进行分类整理。
统计调查或以类比形式预估某路段日交通量，并对其日交通量做细致的 调查，统计完毕后按车流量、车型、轴型、车速及轴重，对日交通量进行分 类。
S5、根据统计的车流量信息，根据车速和轴重计算各车辆对压电感知器 件的作用时间和压电感知器件受力大小。
计算与各类型车辆车速对应的等效加载速度ω，等效加载速度由式2和 3得到。
计算各轴型分配到压电感知器件的轴载，由式10计算可得。
Fmax＝FloadA1/A0 (10)
其中，Fload为汽车轴载，A0为轮胎接地面积，A1为压电感知器件与轮胎 接触面积。
S6、根据步骤5中作用时间和受力大小计算单轴驶过时，压电感知器件 输出能量。
某车辆单轴驶过压电感知器件时压电感知器件输出能量E0，可由式11 算得。
S7、根据步骤6中单轴驶过压电感知器件时其输出能量，计算某车辆全 部轴驶过压电感知器件时其输出能量。
某车辆全部轴驶过压电感知器件时压电感知器件输出能量E1，可由式 (12)算得。
S8、根据车流量统计信息，计算某类型车全部驶过压电感知器件时其输 出能量。
某类型车辆驶过压电感知器件时压电感知器件输出能量E2，可由式(13) 算得。
S9、根据车流量信息，计算全类型车即全部交通量驶过压电感知器件时 其总输出能量。
全类型车辆驶过压电感知器件时压电感知器件输出能量Eto，由式(14) 算得。
上述公式中个符号的含义如下：
Po(t)为车辆驶过感知器件时，感知器件输出功率函数；
t为响应时间；
d33为感知器件中压电材料压电应变常数；
Fmax为车辆静止时作用于感知器件表面的荷载；
ω为等效加载速度；
R为电路负载，即为耗能元件；
C为感知器件中压电材料等效电阻；
Eo为单个加载周期内感知器件输出能量，及负载消耗能量；
T为加载周期；
Eto为日交通量作用下，感知器件总输出能量；
q为每种车型的轴数；
p为每种车型的日交通量；
o为车型数。
实施例：
将一圆柱形压电感知器件埋置于路表，器件表面与路表齐平，与轮胎接 触处，器件直径d为3.6cm，轮胎接地长度均按标准轴载接地长度计算， D＝21.3cm。压电材料为圆柱式压电陶瓷，压电陶瓷直径为6mm，高度为 10mm，压电应变常数d33＝670×10-12C/N，相对介电常数ε3r3＝3400。压电感知 器件在路面内部示意图见图3。根据以上信息，并结合步骤1至步骤3的方 法计算得到输出功率po(t)。
步骤4：统计某高速公路日交通量信息，并分类。
某高速公路日交通量为15100辆/日，其交通量统计分类见表1和表2。
表1某高速公路日交通量信息
表2高速公路日交通流车型轴重统计
步骤5：根据统计的车流量信息，由车速、轴重推算各车辆对压电感知 器件的作用时间和压电感知器件受力大小。不同类型车辆对压电感知器件作 用时间见表1中“加载时间”。
计算轮胎与地面接触处，压力均匀分布，其中由压电感知器件承受的载 荷按式(12)计算。不同轴载下，轮胎接地压力不同，但压电感知器件承受 的最大荷载Fmax始终为轴载Fload的2.85％。压电感知器件承受荷载全部传 递给内置的压电材料。在每种车型下，压电感知材料的承受荷载如表3所示。
表3各类型轴载分散在压电感知器件上的作用力
步骤6：根据步骤5中作用时间和受力大小计算单轴驶过时，压电感知 器件输出能量。
单轴加载输出能量可用式10计算，单轴载荷作用下压电感知器件的输出 电能如表4所示。
表4不同车辆单次加载输出能量
步骤7-9：根据步骤6中单轴驶过压电感知器件时其输出能量，计算某 车辆全部轴驶过压电感知器件时其输出能量。根据车流量统计信息，计算某 类型车全部驶过压电感知器件时其输出能量。根据车流量信息，计算全类型 车即全部交通量驶过压电感知器件时其总输出能量。
按式11-13计算的不同类型车辆单次作用下输出能量和不同类型车辆各 自日交通量作用下输出能量见表5。最后由总计可知日交通流作用下，实施 例中压电感知器件总输出能量为950.5925J。
表5日交通量下的电能输出
本发明提供的一种考虑交通状况的自供能压电感知器件输出能量计算方 法的有益之处在于：
(1)现有研究以开路电压和输出功率评价压电器件的俘能性能，但将 压电器件作为感知器件用于道路结构中时，由于交通荷载的瞬时性和随机性， 以开路电压和瞬时功率不能准确反映其输出能量。本文提出的考虑交通状况 的压电感知器件输出能量算法，较开路电压和最大输出功率更为具体的反映了其输出能量，填补了道路交通荷载作用下压电感知器件输出能量计算方法 的空白。
(2)压电感知器件输出能量算法的推导的过程，为道路荷载的力学模 型简化和压电感知器件中压电材料的电学模型简化提供了思路，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 输出能量的影响打下基础，为压电感知器件在道路工程中的设计提供理论支持。
(3)本发明以具体的交通流信息为基础，采用积分再求和的方式较为 精确地给出了实际交通量下压电感知器件输出能量能力，该计算方法灵活性 强，可适用于任何交通环境下的输出能量计算。
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。
Claims (9)
1.一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，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；
所述受力模型和电荷源模型的耦合方法如下：
步骤3.1、根据受力模型得到车辆荷载作用下电荷源Qa电荷量；
Qa＝d33Fmaxsin(ωt)
其中，d33为感知器件中压电材料压电应变常数，ω为等效加载速度；Fmax为车辆静止时作用于感知器件表面的荷载，t为时间；
步骤3.2、根据电荷量和电荷源模型得到电流i(t)；
其中，d为压电感知器件长度；
步骤3.3、根据电流i(t)得到流经负载的电流iR(t)；
其中，|Z|为电路总阻抗，R为耗能元件，C为感知器件的等效电容；
步骤3.4、根据负载电流iR(t)和电路总阻抗|Z|得到交通荷载作用下输出功率po(t)；
2.根据权利要求1所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，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)＝Fmaxsin(ωt)
其中，l为加载长度，T为加载周期；v为车速。
3.根据权利要求2所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤2中所述构建电荷源模型如下：
i(t)＝ic(t)+iR(t)
其中，iC为流经感知器件等效电容C的电流；iR为流经电路负载R的电流。
4.根据权利要求1所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤3得到输出功率po(t)后，还包括以下步骤：
步骤4、获取设定时间段内经过压电感知器件的车辆数据，并将车辆数据按照车型、轴型、车速及轴重进行分类；
步骤5、根据车速和轴重确定各车辆对压电感知器件的作用时间和压电感知器件的受力值；
S6、根据步骤5得到的作用时间和受力值确定单轴驶过时，压电感知器件的输出能量；
S7、根据步骤6得到的单轴驶过压电感知器件时输出能量，计算车辆所有轴驶过压电感知器件时，压电感知器件的输出能量；
S8、根据车辆数据，计算某类型车全部驶过压电感知器件时，压电感知器件的输出能量；
S9、根据车辆数据，计算全部类型车驶过压电感知器件时其总输出能量。
5.根据权利要求4所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤5中所述压电感知器件的受力值的公式如下：
Fmax＝FloadA1/A0
其中，Fload为汽车轴载，A0为轮胎接地面积，A1为压电感知器件与轮胎接触面积。
6.根据权利要求4所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤6中所述压电感知器件输出能量的计算公式如下：
7.根据权利要求4所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤7中，车辆所有轴驶过压电感知器件时，压电感知器件的输出能量的计算公式如下：
8.根据权利要求4所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤8中同类型全部车辆经过压电感知器件时，压电感知器件的输出能量的计算方法如下：
9.根据权利要求4所述的一种考虑交通状况的压电感知器件的输出能量计算方法，其特征在于，步骤9中全部类型车驶过压电感知器件时，压电感知器件总的输出能量的计算方法如下：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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