[发明专利]一种轮胎振动能量收集装置

说明书

技术领域

本发明属于振动能量收集装置技术领域，涉及一种轮胎振动能量收集装置。

背景技术

轮胎故障已经成为汽车安全事故的一个重要因素，尤其对于在高速公路上行驶的车辆。统计数据表明，在众多的交通事故中，车辆行驶中爆胎而引发的事故约占到20%；高速公路上的事故约有46%是由轮胎发生故障而引发，其中爆胎一项就占到事故总量的70%；在车辆行驶速度超过160Km/h的情况下发生爆胎，驾乘人员的死亡率则是100%。由此可见，轮胎的使用状态必须进行实时的监测，以保障行车安全。所需要监测的项目包括：胎内气压、胎面温度、侧偏角、摩擦力、接触力、滑移率等多种参数。考虑到轮胎的运转特性，要求监测装置必须以无线方式运行，即传感器和接收器以无线通讯方式发送监测结果。

对于执行监测任务的传感器件，则主要采用两种方式实现：有源式和无源式。有源式器件都采用附带高性能电池的方式解决能量问题，因而对器件的工作能耗和电池的使用寿命都提出很严苛的要求，以保证系统的可靠和稳定。有源式系统存在有能量浪费和环境污染两方面问题。研究结果表明，有源式系统的待机消耗占到全部电池能量的80%以上，仅有约15%能量用于监测传感器的工作。能量利用效率非常低下，且因为电池体积和质量较大，引起安装困难。另外，有源式系统的电池制造和更换，会带来严重的环境污染，已经不能满足未来发展的需要。

无源式器件的实现方式有两种，一种方式利用电磁耦合方式，通过高频信号的发射和接收来转移能量，实现对传感器件的供电。另一种方式则是利用对外界能量的收集来实现，即通过能量收集装置对外界机械能、电能、热能、光能、化学能的收集和转化，供给传感器件的工作能量。通过对比可以发现，无源式系统基本上克服了有源式系统的主要缺陷，更适合于轮胎状态的监测应用。电磁耦合方式，需要进行能量传递，通常以侦听的方式工作，即一问一答的模式。能量收集方式则可以采用主动发送的方式，传感器件在自身收集能量的带动下，按照一定的通讯格式发送监测结果信息。这种方式减少了直接的供能模块，实现起来更加简便。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种轮胎振动能量收集装置，该装置能够将轮胎振动能量收集并利用的微型装置，将轮胎的变形振动能量收集转化为电能，并供给其他轮胎监测器件使用，具有实现简单、安装方便等优势。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种轮胎振动能量收集装置，包括通过导线连接的能量收集装置、处理电路和能量储存器；

能量收集装置包括多个悬臂梁结构；悬臂梁结构包括由上盖板和下底板合围的工作腔，工作腔中设有与下底板连接的悬臂梁，悬臂梁上设有压电材料层和质量块；轮胎滚动中胎面与路面接触变形引起悬臂梁的弯曲，悬臂梁随轮胎变形并产生往复的变形，悬臂梁的变形引起压电材料内部产生应力和形变，并在其表面产生电压信号，再通过导线将电压信号导出；

处理电路通过导线接收电压信号，并对其进行的滤波、整流处理后，存储于能量储存器中。

所述的多个悬臂梁结构中每个悬臂梁分别具有不同的尺寸和共振频率，分别实现不同频率段的能量收集；多个悬臂梁组合使用，实现宽振动频率范围内的能量收集。

所述的悬臂梁结构采用鱼骨型和互补型布置；

鱼骨型采用对称式布置，将具有不同共振频率的悬臂梁分别布置于两个工作腔内；

互补型也采用对称式布置，将具有不同共振频率的悬臂梁布置于一个工作腔内。

该轮胎振动能量收集装置采用MEMS微加工工艺制作。

所述的压电材料选择ZnO、SiO₂、LiNbO₃或PZT压电材料制作。

所述的导线材料采用Al。

所述的能量储存器采用电容式储能器。

所述的能量储存器中能量供应给轮胎监测用器件使用。

所述的轮胎监测用器件包括无源式传感器和无线发射器。

所述的能量储存器中能量供应给无源式无线传感器供电使用，无源式无线传感器利用储能器供应的电能完成对轮胎状态的监测，并将监测结果发送给车辆诊断系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：