一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统及其工作方法，该系统包括：压电陶瓷阵列、整流储能模块、DC‑DC变换模块、液位感知模块、硫化氢气体检测模块、数据处理和发送模块。车辆驶向并驶离井盖为系统的一个运行周期，在一个运行周期内压电陶瓷阵列利用车辆压过井盖时井盖所受压力发电。同时作为整个系统的电源模块，压电陶瓷阵列驱动系统其他模块完成状态信息的监测、采集、处理和发送。本发明专利技术可以实现智能井盖的无源运行，并通过对压电陶瓷阵列中各压电片单体输出电压值的分析实现系统的智能化检测，即：实时监测并发送井盖的状态信息：包括井盖是否破损或移位，以及判定路经车辆是否超载；同时系统具有下水道毒气监测和污水倒逆监测功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统及其工作方法
本专利技术涉及城市井盖管理、车辆超载检测领域，监测
，特别涉及到一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统及其工作方法。
技术介绍
随着城市基础设施建设的不断发展，地下天然气管道、排污管道等地下设施逐渐增多，由此导致城市中的井盖数量逐步上升。但目前城市井盖管理中仍普遍存在着：井盖数量多、难于实现统一管理、不能及时发现井盖损坏和被盗，下水道污水倒逆，存在毒气等问题。为了解决这些问题，许多城市采用人工巡查的方式来对井盖进行监测，这种方式不仅耗时耗力，成本高，而且不能全方位的监测井盖。现有的一些研究虽然能在一定程度上将井盖智能化，实现了一定的状态监测、信息交互和统一管理功能，但其最大的问题在于：检测、信息处理和信息交互单元的能源供给形式无法在实际应用中实现。虽然有的企业采用高能电池供电，但这种供电方式，一方面难以确定何时更换电池，另一方面更换电池的维护工作太费时费力，这大大限制了智能井盖的投产和普及应用；此外，现有技术难以准确探测井盖是否破损、也无法检测过往车辆的是否超重。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统及其工作方法，其可以实现智能井盖的无源运行，避免采用电池，同时还能够监测车辆是否超重、井盖是否破损或移位。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，包括压电陶瓷阵列、整流储能模块、DC-DC变换模块、检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块、无线数据发送模块、上位机、井盖和井圈；压电陶瓷阵列与整流储能模块连接，检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块和无线数据发送模块均通过DC-DC变换模块与整流储能模块连接；检测模块、数据采集模块和无线数据发送模块均与微处理器信息处理模块连接，无线数据发送模块与上位机连接，数据采集模块与整流储能模块输出端以及检测模块输出端连接；压电陶瓷阵列包括若干相互连接的压电片单体，若干压电片单体设置于井盖和井圈之间并沿井圈的周向呈阵列分布。优选的，检测模块包括液位感知模块和下水道毒气检测模块，液位感知模块采用超声波测距传感器或电容式液位传感器，下水道毒气检测模块为硫化氢气体检测传感器。优选的，所述整流储能模块包括全波整流桥和储能电容，全波整流桥的输入端与压电陶瓷阵列的输出端连接，储能电容与全波整流桥连接，数据采集模块的输入端与储能电容两端以及检测模块输出端连接。优选的，若干压电片单体进行混联，混联方式为压电片单体两两串联后再并联。优选的，压电片单体包括压电陶瓷和金属端帽，压电陶瓷两侧均设有金属端帽，金属端帽的形状为铜钹状，金属端帽隆起部位为圆台状。优选的，若干压电片单体均匀的分布在井盖上与井圈接触的内边沿。本专利技术基于压电陶瓷的无源智能井盖系统的工作方法，包括如下过程：从车辆驶向井盖开始到车辆驶离井盖结束，在这个运行周期中，车辆压过井盖时，使井盖与井圈对压电片单体进行挤压，使得压电片单体感应发电，整流储能模块、DC-DC变换模块将压电片单体发出的电能转换成检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块和无线数据发送模块所需的电压等级，使检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块和无线数据发送模块上电启动，数据采集模块将采集到的压电信息、检测模块监测的信息反馈给微处理器信息处理模块，微处理器信息处理模块通过无线数据发送模块将采集到的信息发送给上位机；从车辆驶向井盖开始到车辆驶离井盖结束这个周期中，上位机根据所有压电片单体输出电压和井盖所受压力大小判定经过的车辆是否超重，上位机根据压电陶瓷阵列中相邻位置压电片单体的输出电压差值是否过大判断井盖是否破损，上位机根据压电片单体输出电压是否逐渐趋近于全体零输出判断井盖是否移位。优选的，当井盖完整无破损时，汽车或人压在井盖的一侧，井盖与井圈之间的若干压电片单体之间输出电压平滑变化，如果相邻的压电片单体ni和压电片单体ni-1输出电压满足|Vi-Vi-1|>(max(Vi,Vi-1)-V0)/3，说明井盖在这两个压电片单体之间有破损；如果出现某个压电片单体输出电压小于V0，且输出电压小于V0压电片单体个数增加，最后全部小于V0，则说明井盖被盗；其中，Vni表示压电片单体ni的输出电压，Vni-1表示压电片单体ni-1的输出电压，V0表示井盖自重在每个压电片单体上产生的电压，i表示压电片单体的编号顺序。优选的，测得每个压电片单体电压Vi，由压电常数εi得到压力Fi＝(Vi-V0)/εi，井盖上的总的压力F为：将汽车轮通过井盖过程中最大的压力值发送给道路监测终端，道路监测终端通过识别车牌，并由测得的最大压力值来判断驶离汽车是否超载；其中i表示压电片单体的编号序号，M为压电片单体的总数。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术基于压电陶瓷的无源智能井盖系统利用压电陶瓷阵列能够在汽车经过井盖时提供电能，能够实现长时间自主运行，避免了使用蓄电池以及定期更换蓄电池电源所造成的人力和物力消耗。本专利技术压电片单体设置于井盖和井圈之间并沿井圈的周向呈阵列分布，利用该分布特点以及压电片输出电压和所展现的井盖所受压力大小能够判定经过的井盖车辆是否超重，根据压电陶瓷阵列中相邻位置压电片单体的输出电压差值是否过大能够判断井盖是否破损，根据压电片单体输出电压是否逐渐趋近于全体零输出判断井盖是否移位；利用检测模块能够实现如井盖下液位信息以及下水道中有毒有害气体的检测；同时利用微处理器信息处理模块、无线数据发送模块以及上位机能够实现井盖信息的集中、远程监控，为城市中井盖的统一管理以及地下管道运行管理提供数据支持。进一步的，由于压电片单体输出存在电压较高、电流特性差，发电能力弱的缺点，本专利技术将若干压电片单体进行混联，混联电路既能提高输出电压，也能提高输出电流，且相同数量压电片单体联接方式中输出功率最大。进一步的，结合道路压电发电低频、大应力的特点，本专利技术采用铜钹结构的金属端帽，由于金属端帽的特殊结构，使得加载于金属端帽上的轴向作用力经过转换、放大为沿压电陶瓷轴向和径向的两个分力，从而使得d31和d33两种模式同时工作，产生比一般悬臂梁系统大得多的电压等效压电常数。进一步的，金属端帽隆起部位为圆台状，隆起部位为平面，因此能够防止隆起部位顶部受到侧向力而发生移位或接触面积过小而损坏；隆起部位的侧面为一段圆台面，能够将金属端帽受到的正压力放大为沿压电陶瓷轴向和径向的两个分力，而且使得金属端帽整体结构更加稳定。进一步的，车辆压过井盖时井盖的法相最大的相应力点为井盖与井圈接触的内边沿，为了获得最大的输出功率，将压电陶瓷阵列中的压电陶瓷单体均匀的分布在井盖与井圈接触的内边沿。本专利技术基于压电陶瓷的无源智能井盖系统的工作方法能够获取从车辆驶向井盖开始到车辆驶离井盖结束这个周期中，无需利用电池等外部电源，依靠汽车对压电陶瓷阵列施加的压力就能为整个系统提供电能，利用压电陶瓷阵列产生电能的特点能够判断车辆是否超重、判断井盖是否破损或是否移位，节省了人力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，包括压电陶瓷阵列、整流储能模块、DC-DC变换模块、检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块、无线数据发送模块、上位机、井盖(8)和井圈(9)；压电陶瓷阵列与整流储能模块连接，检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块和无线数据发送模块均通过DC-DC变换模块与整流储能模块连接；检测模块、数据采集模块和无线数据发送模块均与微处理器信息处理模块连接，无线数据发送模块与上位机连接，数据采集模块与整流储能模块输出端以及检测模块输出端连接；/n压电陶瓷阵列包括若干相互连接的压电片单体，若干压电片单体设置于井盖(8)和井圈(9)之间并沿井圈(9)的周向呈阵列分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，包括压电陶瓷阵列、整流储能模块、DC-DC变换模块、检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块、无线数据发送模块、上位机、井盖(8)和井圈(9)；压电陶瓷阵列与整流储能模块连接，检测模块、数据采集模块、微处理器信息处理模块和无线数据发送模块均通过DC-DC变换模块与整流储能模块连接；检测模块、数据采集模块和无线数据发送模块均与微处理器信息处理模块连接，无线数据发送模块与上位机连接，数据采集模块与整流储能模块输出端以及检测模块输出端连接；
压电陶瓷阵列包括若干相互连接的压电片单体，若干压电片单体设置于井盖(8)和井圈(9)之间并沿井圈(9)的周向呈阵列分布。


2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，检测模块包括液位感知模块和下水道毒气检测模块，液位感知模块采用超声波测距传感器或电容式液位传感器，下水道毒气检测模块为硫化氢气体检测传感器。


3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，所述整流储能模块包括全波整流桥和储能电容，全波整流桥的输入端与压电陶瓷阵列的输出端连接，储能电容与全波整流桥连接，数据采集模块的输入端与储能电容两端以及检测模块输出端连接。


4.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，若干压电片单体进行混联，混联方式为压电片单体两两串联后再并联。


5.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，压电片单体包括压电陶瓷(1)和金属端帽(2)，压电陶瓷(1)两侧均设有金属端帽(2)，金属端帽(2)的形状为铜钹状，金属端帽(2)隆起部位(3)为圆台状。


6.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统，其特征在于，若干压电片单体均匀的分布在井盖(8)上与井圈(9)接触的内边沿。


7.权利要求1-6任意一项所述的一种基于压电陶瓷的无源智能井盖系统的工作方法，其特征在于，包括如...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤晓君，陈嘉琪，李正兴，徐仲达，潘攀，韩国璇，吕锡林，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61