一种路用压电换能装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种路用压电换能装置及方法，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，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；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；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，解决了现有压电装置耐久性与压电性能不相容的问题。

A device and method of piezoelectric energy exchange for road

【技术实现步骤摘要】
一种路用压电换能装置及方法
本专利技术属于道路工程领域，涉及一种路用压电换能装置及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术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，本专利技术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为本专利技术装置俯视图。图2为本专利技术装置正视图。图3为本专利技术外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种路用压电换能装置，其特征在于，包括外部壳体(1)、压头(2)、传动装置(3)和压电换能装置(4)；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)包括压电材料(401)、衬片电极(402)、固定块(403)和导线(404)，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)，衬片电极(402)与底座(101)内壁间隙设置；导线(404)为两根，一根连接在压电材料(401)表面，另一根连接在衬片电极(402)上，两根导线(404)均输出至外部壳体(1)外侧；传动装置(3)设置在压电换能装置(4)的圆环内部，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；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，第一通孔内部设置有复位弹簧(302)，复位弹簧(302)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(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)，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，与内转动臂(303)周面滑动连接，伸缩弹簧(306)一端连接内转动臂(303)自由端，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，导轮(305)的转轴与空心圆柱(301)的轴线平行，工作时，导轮(305)接触并挤压压电材料(401)；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)与压头(2)同轴，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。...

【技术特征摘要】
1.一种路用压电换能装置，其特征在于，包括外部壳体(1)、压头(2)、传动装置(3)和压电换能装置(4)；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)包括压电材料(401)、衬片电极(402)、固定块(403)和导线(404)，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)，衬片电极(402)与底座(101)内壁间隙设置；导线(404)为两根，一根连接在压电材料(401)表面，另一根连接在衬片电极(402)上，两根导线(404)均输出至外部壳体(1)外侧；传动装置(3)设置在压电换能装置(4)的圆环内部，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；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，第一通孔内部设置有复位弹簧(302)，复位弹簧(302)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(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)，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，与内转动臂(303)周面滑动连接，伸缩弹簧(306)一端连接内转动臂(303)自由端，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，导轮(305)的转轴与空心圆柱(301)的轴线平行，工作时，导轮(305)接触并挤压压电材料(401)；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)与压头(2)同轴，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。2.根据权利要求1所述的一种路用压电换能装置，其特征在于，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，凹槽与固定块(403)形状配合且数量相同。3.根据权利要求2所述的一种路用压电换能装置，其特征在于，凹槽为横截面是梯形的梯形凹槽，固定块(403)靠近梯形...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹阳森，沙爱民，陈谦，刘状壮，栾博，李新舟，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61