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基于压电效应的沥青路面自供电无线传感系统设计与研究

邹祥  
【摘要】:随着人类社会的进步与发展,道路已成为人们日常出行所必不可少的一部分。然而,由于车辆的超载超重、自然天气及地质等原因,导致的路面严重受损,对车辆的安全行驶具有很大的威胁。因此,需要判断路面受损情况,并在适当的时期、用适当的方法将路面性能进行恢复。然而,由于电池寿命限制,现有的道路监控解决方案要求传感器系统进行定期维护工作。论文深入研究了利用路面车辆压力的机械能转换为电能来为传感器供能的路面信息采集系统。提出了一个端到端的自供电无线传感器(Self-powered Pavement Wireless Sensor,ePave),用来采集路面信息并无线发送给终端。这不仅解决了电池寿命限制问题,而且由于采用无线传输,避免了路下线路部署的困难。研究了道路压电发电和数据采集无线发送系统的耦合性,分析了系统的组成结构、各部分单元能耗以及供能情况,保证系统能够有效的运行。最后对整个系统进行了集成化处理并埋入沥青路面,测试其与路面的鲁棒性。论文的主要成果和创新点如下:(1)比较现有的路面检测方法提出了一种利用路面压电能量驱使超低功耗传感器并无线发送路面数据的方法,设计了这种自主采集路面信息的传感器的部署结构以及系统组成。(2)通过沥青路面的振动设计了一种压电能量收集装置,采用双晶片型压电换能器将车辆行驶所引起的振动的机械能转化为电能,研究其处于不同沥青深度时的压电特性,并将压电换能器封装到环氧树脂中,以提高其使用寿命。(3)根据路面压电能量特性提出了自适应性数据采集方案,分析路面压电能量的转换和供电机制,采集数据不再是根据固定的时间,而是依据收集能量的多少,并按照自适应开关特性研究系统的开启时间比,提高能量利用效率。(4)设计了自供电的沥青路面传感系统原型,对系统进行集成化处理并埋入沥青路面,对系统性能进行了评估,实现了沥青路面的无线信息采集。通过测试和结果分析,提出的系统能够阶段性的工作,并将采集的路面信息无线发送给计算机终端,实现了路面信息的检测。


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