压电技术在智能道路中应用研究现状

高莉宁,丁思晴,佘江江,张佳,何锐*

(1.长安大学材料科学与工程学院,西安 710065; 2.尧柏特种水泥技术研发有限公司,西安 710100)

《交通领域科技创新中长期发展规划纲要(2021—2035年)》的发布加速了交通运输与科技创新的渗透融合,数字化、智能化发展已成为当前交通基础设施建设的重要方向[1]。智能路面由特定的结构材料、感知网络、信息中心、通信网络和能源系统组成[2],能够主动感知路面状态、性能和外部环境等,分析评估所收集的信息和道路健康,结合路面自身状态进行自调控和自修复等自主行为,与车辆、行人、设施、环境及社会等进行动态自主交互,收集废弃能量进行二次使用。因此智能道路的发展及应用将有助于充分发挥道路自身潜力,成为智能化交通基础设施建成的关键。

在智能化道路的建设中,压电技术因其自身优良的性能实现了能量收集、数据分析、自修复和道路监测等行为,成为全面建设智能道路的重要技术途径。19世纪80年代,居里兄弟通过对石英晶体特定方向上施加力,引出了正逆压电效应,压电技术的研究正式开始[3]。美国和日本是最先进行压电元件应用研发的国家,包括利用BaTiO三型压电传感陶瓷制造了超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测元件以及滤波器和谐振器等[4-5]。1950年美国又发现锆钛酸铅的压电特性更为突出,促进了压电传感器材料的研究进展,产生了新的发展方向[6]。1992年,美国首次开发了智能高速公路系统,该系统主要由嵌入式路面边缘检测装置和路段传感器实现[7]。2006—2009年,日本在东京火车站完成了三次发电地板测试,当旅客进入到自动检票口时其踩踏地板可以让100 W的灯管发亮0.1 s[8]。2008年,以色列的Innowattech公司最先研制成功了基于压电技术的路面发电系统成果,压电单元能在同一条双向车道上产生约0.5 MW/(km·h)的电能,其生产成本较太阳能系统降低 2～3倍,且投入回收期相比太阳能系统最大限度可从30年降至6年[9]。压电发电技术的应用不但减少了汽车油耗,同时还利用收集振动能使负载对道路的破坏和噪声对周围环境的危害降低。2018年,美国Integrated Roadways公司与科罗拉多州交通部(Colorado Department of Transportation,CDOT)合作试行其研发的Smart Pavement系统[10],该系统通过耐久预制混凝土板、高分辨率光纤传感器等路面信息集成的关键技术,提供了实时道路交通数据收集和交通事故自动报警等功能,以完成从普通道路向智慧交通的过渡。Wang等[11]对压电式能量采集器在机场路面上的应用进行了研究分析,讨论了位置、厚度、飞机轮和飞机载荷对能量模块的影响。飞机轮胎载荷分别从154 kN增加到172 kN和 185 kN 时,输出功率增加了约24%和42%。Cao等[12]提出了全压概念并设计了新型压电换能器,研究表明,压电输出量与负载呈显著的线性关系,新型压电换能器应用于路面结构后具有良好的电响应,可实现承载板载荷充分作用于压电材料,经过50万次重复负载后,压电换能器的输出仍然保持稳定。

综上,可以看出,压电技术是智能道路发展的核心技术,但目前对其在道路中的应用还不系统,仅仅只集中在特定的智能路面功能上,例如,能量收集、道路健康监测和传感单元等。因此现对其在道路中的应用进行系统论述,提出目前存在的问题以及方法和建议,为智能道路的研究和应用提供参考。

1 道路压电能量采集技术

1.1 压电换能器

压电换能结构通常是很小的压电发电单位,相当于一种小型化开关电源。压电换能器不但在结构上不尽相同,电能转化效果上差异也很大,Kim等[13]利用两个金属盖在压电材料两边做成了一个钹型结构,这种构件在受力时可把部分竖向作用力转化为侧向作用力,使压电材料的压电效果更佳。王青萍等[14]将多块压电片叠在一起做成堆叠构造,两片之间放置有绝缘材料,多片串联工作,深入研究了其特点。Platt等[15]研究发现,叠式构造比相同厚度的单片压电膜片所产生电能还要大,将多块压电传感片串联的方法可以使压电换能器的输出电压有所增加。悬臂梁构造则是最先获得广泛应用,并且是发展最为完善的压电换能器。Wasa等[16]运用悬臂梁的振动将机械能转化为电能。Saadon等[17]则研发了压电悬臂梁结构,其构造简单、易于制造,可通过在柱末端安装一质量块以减小悬臂柱的自振频率,使自振频率更接近周围生活环境中的振动频率,从而增加发电效能。

道路上使用的压电换能器必须满足路面承载要求及安全驾驶性,要求其具有一定的抗压性和抗冲击性,同时须满足变形小的特点。能应用于沥青或水泥路面能量采集的压电换能器主要有:层叠式、拱形式、桥式、钹式、纤维板、月牙式压电换能器等。Zhao等[18]对这几种类型的压电换能器的机电耦合系数k、最大能量传输系数λmax、储电量UE和刚度进行了对比分析,如表1所示。

表1 压电换能器的比较结果[18]

层叠式换能器刚度很高,但其储电量很小,仅为0.03 mJ,适用于水泥混凝土等高模量环境,拱形式换能器的储电量最大,达到43.38 mJ,比其他类型的换能器储能效率高出40倍以上,桥式和钹式无论是从储能还是刚度方面来看,都比较适中。因此可以将其应用在沥青路面上,但需对其结构进行优化,以更好地适应沥青路面,对于纤维板和月牙式换能器来说,刚度和储能效率都很低,尤其是纤维板,不适合用作能量收集器件。

影响压电换能器能量输出的主要因素有轴重、加载速度、路面温度、路面类型、循环次数等,其中路面温度对压电换能器的能量输出具有重要影响,温度升高对换能器的能量转换既有正面影响,也有负面影响,但在使用过程中正面影响占主导地位。所有可用作路面能量收集的换能器都在封装和应用方面还存在问题,一些包装在设计时部分承载力由压电材料承担,剩余承载力由底座边缘承担,削弱了压电换能器的能量转换潜力。因此,压电换能器在路面结构中如何高效应用仍需进一步研究。

1.2 压电能量收集系统在道路中的应用

公路在中国经济和交通运输行业中具有非常重要的作用,但传统的公路建设已无法满足节能减排、环境友好、可持续发展等要求,能源供应是目前面临的一个重大问题。有研究者提出可将废弃的能量收集起来应用于道路上,实现绿色可持续发展。自然界中的能量主要有太阳能、风能、热能、机械能等,但对于道路能量采集来说,这些能量由于实用性受限、成本较高、选址要求严格等不适于大量推广,机械能在日常生活中应用较多,但当机械振动停止时,输出能量为零。通过使用压电材料从道路结构中收集可再生能源成为研究的热点[19-20]。压电材料能够将机械能转换为电能,若将合适的压电材料埋入路面结构当中,则外力所产生的部分机械能可转化为电能[21],如图1所示。将智能控制能量采集电路,压电能量收集电路与合适的储能单元相连接,即可形成完备的能量收集系统。杨海露[22]对常见压电能量收集电路进行了分析总结,如表2所示。

图1 压电效应示意图[21]

表2 能量收集电路对比[22]

以往的研究中主要涉及两种压电能量收集方法:第一种是将路面材料与压电材料相结合得到沥青基压电复合材料或水泥基压电复合材料,使得路面施工比较便利且可以利用有限的道路区域进行能量收集,但因为其极化困难、路面隔热等问题在实际应用中较少;第二种是将压电材料封装在压电换能器中,压电换能器埋入路面结构中作为分布式能量收集的转换枢纽,该方法能量转换效率高、可操作性强,成为主要收集方法。道路能量收集系统是指通过运用正压电效应的基本原理,将固定几何形态的压电材料采用特定的加工方法串联形成一种压电单体,将各个压电单体采用相应的密封工艺组成压电换能器,并将该换能器放置在道路上,将汽车行驶过程中对道路所作的功转变成能量,并采用适当的连接电路实现能量收集和储存。

目前主要使用的压电材料是锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)。Park等[23]设计了一种压电复合板来融化道路上的冰,结果表明,压电复合材料收集的能量可以在2.5 h内将冰雪覆盖的人行道温度提高20 ℃。Xiong等[24]利用锆钛酸铅材料构建了用于LED(light emitting diode)交通灯的压电微功率发电器。Khamil等[25]提出了一种热电能量收集系统(thermoelectric energy harvesting system,TEH),该系统通过在地下埋设不同形状的换能器收集沥青路面上的热量。结果表明,圆柱杆状换能器比扁杆状换能器对热量的收集效率更高。Tahami等[26]提出了一种埋设于人行道中的热电发电机的能量收集系统,从路基土壤和路表的温差中获取热能。Song等[27]提出了一种可以固定在人行道上的路面砌块压电能量采集器(piezoelectric energy harvester for pavement blocks,PBPEH);基于路面砌块压电能量采集器,还开发了一种物联网(internet of things,IoT)系统,该系统不仅能为人行道信号指示器供电,还可以将PBPEH收集的能量转换为人行道附近的环境数据。结果表明,所采用的IoT系统能有效地为人行道指示器和无线传感器网络供电。

中国针对路面能量采集方面也开展了不少研究[28]。Yang等[29]在实验路段对压电能量采集器进行性能评估,获得了250 V以上的开路峰值电压,如图2所示,并成功点亮LED灯牌,车速越快,LED灯泡点亮的持续时间越短。此外,LED亮度受车速和车轮负载的影响,随着速度和负载的提高,LED将变亮。Wang等[30]设计了一种道路兼容压电能量收集器(road-compatible piezoelectric energy harvester,RPEH),可以应用于大规模停电事故下的隧道LED灯应急系统,还可以解决偏远山区夜间行驶时道路LED灯的供电问题。宋健[31]采用压电陶瓷工艺技术,对收集车辆振动电能开展了深入研究,结果表明不同的路面级别、外接载荷和外部激励频率均会对压电振子的压电特征产生影响,因此通过车辆振动电能收集能量,可有效增加汽车的续航能力,减少充电周期。陈晓林等[32]从压电发电基本原理着手,根据道路负荷和环境特征,采用了有限元仿真和室内实验的分析方法,设计和研制了压电式道路振动能量收集器。在仿真环境与实际踩踏两种方式的载荷作用下,通过能量收集器的输出特性和效能为基于压电效应的能量采集技术在现实生活中的有效运用奠定了坚实基础。Wang等[33]基于环境适用性设计了一种内部具有阻隔结构的新型压电能量收集装置,并从多角度对其交通环境适用性和能量输出效果进行了评价,促进了压电能量收集技术在道路工程中的应用。张宇轩等[34]提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器,不仅可以降低谐振频率,同时还可对多方向的能量进行收集,增大能量收集器的转换效率和输出性能。

图2 不同速度下方形和圆形压电换能器的开路峰值电压[29]

路面压电传感能源采集技术将通过道路荷载做功而产生的废弃能量加以采集使用,是一项新兴的绿色能源技术。但目前还存在以下难题使其未能在道路路面领域展开大面积使用:重载交通下对压电材料的各项性能、结构类型及封装设计等都存在很高的要求;昼夜、全年和不同区域的温差对压电收集系统的影响;载荷及速度大小对压电发电装置输出电压的影响;能量收集效率提高的同时降低投入成本等,都对路面施工及压电元件提出了新要求。从道路长期发展视角考虑,路面的压电能量采集技术将能够高效采集道路振动机械能,从而节省施工成本,符合绿色交通发展要求,具有广阔的应用前景。

2 智能压电混凝土结构健康监测及交通监测技术

2.1 压电混凝土道路交通风险监测技术

随着经济的迅速发展,汽车保有量不断增多,因车辆超载导致的交通事故频发,在循环荷载作用下造成路面破坏,致使交通发生严重的拥堵、混乱,车辆的重量和速度对道路的使用寿命和人们的生命财产安全至关重要。传统的有关检测交通状况的探针如感应环探针、微环探针等都会在施工和维护时不同程度的损伤路面。因此,开发一种交通监控系统来获取车辆的统计数据迫在眉睫,如可实时监测交通流量、车速、车辆重量等。

Liu等[35]开发了一种由多个压电元件组成的能量收集阵列(energy harvesting array,EHA),用于交通监控和能量收集。通过压缩实验得出EHA响应规律,为监测车辆轴重和速度信息奠定了基础,并联多个EHA组成的能量收集阵列可以实现对车速、轴重等基本交通信息的采集。Gao等[36]使用混凝土封装的光纤传感器监测混凝土内部钢筋的腐蚀情况,结果表明,其该传感器可以有效地对钢筋腐蚀进行监测,且稳定性好,预计可使用10年以上。

水泥基压电传感器(cement-based piezoelectric sensors,CPC)因其具有与混凝土结构良好的兼容性而被广泛研究,应用于实际工程中[37-39]。Zhang等[40]提出了一种使用嵌入式水泥基压电传感器的新型智能交通监测方法。图3所示为不同平均载荷下水泥基压电传感器的机电响应情况,可以看出,负载水平对传感器的输出几乎没有影响,因此基于水泥压电传感器所具有的高稳定性使得其适合作为动态机电传感器。Zhu等[41]以水泥乳化沥青为基体相,PZT为压电相,采用切割填充法制备2-2压电复合材料,将压电传感器模型嵌入到道路结构模型中,证实了水泥乳化沥青压电复合材料用于动态称重的可行性。当压电传感器嵌入道路结构中时,应力集中发生在嵌入位置。

图3 水泥基压电传感器的机电响应[40]

由此可见,智能交通监控系统具有良好的交通信息收集潜力,如交通流量检测,车辆速度检测和动态称重测量等。

Wang等[42]研究了一种适用于道路交通条件的可批量加工的多层垂直蝶形阵列压电传感器件,其转换的功率可以为危险区域的汽车提供实时安全警告,特别是对偏远山区的交通安全警告,这些地区的远距离输电不方便,夜间、雾天和雨雪天驾驶都很危险。表3是以重型卡车和普通轿车为例,对不同道路条件下该装置的试验频率进行计算和模拟,根据模拟结果,对多层垂直蝶形阵列压电传感器的最大输出电压和功率进行计算,如图4所示。综合表3和图4可知,在轻型交通车速为50～90 km/h、重型交通车速为90～100 km/h时,功率转换效果最佳,两者相比较发现该装置在轻型交通中的发电能力较高。压电传感器在同一道路上不同速度下的输出电压也不同,不同的电压仍会影响设备的稳定运行,因此需要增加稳压装置,以确保报警设备在实际应用中的长期使用寿命。单个压电传感器瞬间点亮标志效果明显,标志显示瞬时闪烁模式,在7～11 Hz的振动频率范围内,实时安全报警效果较好。

a为轻型交通汽车速度30～40 km/h;b为轻型交通汽车速度50～90 km/h;c为轻型交通汽车速度100～120 km/h;d为重载交通车速度60～100 km/h

表3 不同路况的速度与频率[42]

水泥基压电传感器可用于智能交通监控系统,并且能够准确地测量车辆流量、车速和车轴总重量。实验室和现场试验表明以压电材料为基础所制备的不同压电器件具备抗干扰能力强、压电响应快、测量精度高、使用寿命长、结构特性好和易于装配与维护等优势。因此传感器在交通监测中是有效的,具有良好的应用潜力,但在成本以及大规模应用上还需进一步研究。

2.2 压电混凝土道路结构健康监测技术

在过去的几十年里,由于内在因素(材料自身缺陷、结构设计和施工不足等)和外在因素(恶劣环境、意外荷载等)的不利影响,混凝土结构通常在整个使用寿命内发生退化,如混凝土开裂[43]、钢材腐蚀[44-45]和结构倒塌[46]等,造成安全问题和经济损失。因此,需要监测路面的健康情况,在早期发现问题时对混凝土及时养护,可延长路面使用寿命。在道路结构健康检测中,智能压电材料日益引起了人们的关注,已经开发了许多与压电材料相关的结构健康监测(structural health monitoring,SHM)技术来评估原位结构的安全性和完整性,如声发射技术[47]。此外,使用压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料制造的压电传感器被用作SHM的传感器和致动器。其中,由PZT或智能骨料(smart aggregate,SA)组成的传感器已广泛应用于混凝土结构的评估中,通过分析电阻、电压、频率、介电常数和阻抗的变化,评估和检测结构的强度和损伤条件。目前运用压电材料智能结构技术对道路混凝土构件进行健康检测的工作原理就是将压电材料埋于混凝土构件中,利用压电材料的正压电效应,组成无损健康检测体系,同时将接收和发出的信息用于评估道路混凝土构件的损坏情况。

2.2.1 水泥混凝土结构健康监测

在水泥混凝土的结构健康监测中,主要检测腐蚀和裂缝,钢筋的腐蚀会削弱其承载能力,而裂缝则会加剧腐蚀和应力集中。近年来,学者们通常使用光纤传感器来监测钢筋混凝土中钢筋的腐蚀过程[48-49],然而,光纤传感器易于受到温度的影响,使该方法的监测可靠性降低。PZT由于其受温度影响小、成本低廉的优势在道路结构健康监测中获得了越来越多的关注。

Du等[50]基于超声波的嵌入式压电传感器对混凝土中钢筋的腐蚀进行评估,分别使用具有良好发射、接收能力的PZT-4型、PZT-5型压电陶瓷作为发射接收元件,同时使用水泥/聚合物作为包装材料来制造接收传感器,通过分析超声波光谱,提取峰值振幅、波速和主频的声学参数来监测混凝土中钢筋的腐蚀程度。Lu等[51]使用嵌入式水泥基压电复合传感器和声发射(acoustic emission,AE)技术监测在加速腐蚀条件下有/无裂缝的混凝土梁中钢筋的腐蚀活动。通过自编程的监测系统成功检测并记录了由局部腐蚀和混凝土裂缝引发的AE参数。发现水泥基压电传感器通过AE技术能很好地检测裂缝的存在。Kee等[52]使用PZT传感器作为混凝土结构表面表面波的驱动和传感源,以评估使用PZT传感器监测裂缝深度的可行性。Tseng等[53-54]提出了使用表面粘结阻抗传感器监测混凝土结构中两种类型损伤(即空洞和裂缝)的数值研究。Talakokula等[55]分别对在钢筋表面和嵌入钢筋混凝土内部的压电陶瓷传感器进行钢筋锈蚀敏感度研究,结果表明,嵌入式压电陶瓷传感器对钢筋的锈蚀过程更为敏感。高振恒[56]利用波传播分析法,通过辨识传感器接收信号的变化对混凝土内部结构进行损伤识别和监测,并基于信号幅值提出了损伤指标来衡量损伤程度,结果表明基于压电陶瓷的波传播分析法对混凝土裂缝损伤识别和监测是有效的。Yang等[57-59]研究了机电阻抗(electromechanical impedance,EMI)技术在实际应用中的问题,并得出了PZT键合厚度与温度之间的关系;此外,他们还提出了一种可重复使用的PZT传感器。邓有生等[60]利用水泥基碳纤维复合材料制备了一种碳纤维智能传感器,将其嵌入带有预制裂缝混凝土梁试件中进行试验,结果表明,水泥基智能层可通过电阻率变化对混凝土梁的平均应变进行监测,从而达到监测裂缝宽度变化的要求。王露等[61]将挠度控制在一定范围内,发现树脂基纤维智能层的电阻与玻璃板的裂缝宽度呈线性变化关系,可为工程结构在循环荷载作用下的损伤检测提供试验依据。

Pan等[62]使用压电水泥传感器和PZT传感器分别对水灰比为0.4、0.5和0.6的三种水泥砂浆的抗压强度(fc)进行了56 d的监测,PZT传感器在电导图谱中第一个共振峰(50～150 kHz)没有观察到电导随龄期变化的规律性趋势,导致有效监测频率范围难以找到。第二共振峰(334～364 kHz)和第三共振峰(496～561 kHz)附近的电导随样品龄期的增加呈下降趋势,但三种类型砂浆的有效频率在第三峰区并不总是能全部监测到,结果具有不确定性。PEC传感器在电导图谱中没有共振峰,曲线平滑且只有微小波动。有效监测频率如表4和表5所示,结果表明PEC传感器的监测能力优于PZT传感器,这是由于PEC传感器的电阻抗变化比较明显。

表4 砂浆中嵌入PZT传感器的有效监测频率[62]

表5 砂浆中嵌入PEC传感器的有效监测频率[62]

钢筋在水泥混凝土中的腐蚀监测是一个长期而连续的过程,给监测设备和技术带来了严峻的挑战。具有传感和驱动双重功能的压电材料使得这一问题得到了一定程度的解决。目前通过使用压电陶瓷和压电复合材料作为元件开发了一种嵌入式压电传感器[63],将其埋入混凝土内部可以更有效地监测混凝土的裂缝、空洞和腐蚀等。

2.2.2 沥青路面健康监测

水泥混凝土是一种与温度关系较小的材料,其性能不易受温度变化的影响,混凝土中的压电传感器驱动信号的传播稳定,这使得损伤监测更简单和更有效。然而,沥青混凝土是典型的温度依赖性材料,其机械性能和空隙率随温度而变化,导致其信号传播特性亦发生变化。因此,水泥混凝土的监测模型不适用于沥青混凝土。

Alavi等[64]提出了一种基于压电自供电无线传感器(self-powered wireless sensors,SWS)技术的沥青混凝土路面连续健康监测方法。在交通荷载下,该方法能够监测和定位沥青路面自下而上的开裂情况,用于损伤诊断。Hasni等[65]制造了一种非恒定压电薄膜型SWS,基于由损坏或开裂引起的电压幅度的偏差,检测沥青混凝土路面自下而上的裂缝。室温(25 ℃)下实验结果表明,代表传感器应变/电压的曲线的斜率(绝对值)与施加的循环次数有关,循环次数越多,曲线斜率的绝对值越大。PZT具有良好的压电性和高的介电常数,但其缺点在于PZT更脆并且其模量比沥青混合料更高,这就使得嵌入沥青路面中的PZT的变形在交通荷载下与沥青混合料的变形不一致,导致嵌入沥青路面的PZT更容易受到损坏。Ji等[66]将PZT和聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)复合制备的压电振子封装在环氧树脂中,制备了自供电损伤检测骨料(self-powered damage detection aggregates,SPA),实验表明其抗压强度可达16 MPa且具有优异的传感和驱动特性。研究了裂缝宽度与PZT/PVDF复合压电传感器的声波衰减系数的关系,如图5所示。可以看出,声波衰减系数随着沥青路面裂缝宽度的增大而降低,二者之间近似于线性关系。因此利用SPA激发的声波监测沥青路面隐蔽裂缝是可行的。

图5 PZT/PVDF复合压电传感器的声波衰减系数和裂缝宽度之间的关系[66]

沥青混凝土路面与温度密切相关,为了克服温度对监测结果的影响,研究人员发现将压电陶瓷与高分子聚合物共混可制得具有良好特性的传感器。然而,在沥青混凝土路面的监测中,声波的传播和衰减会受到沥青混凝土结构和性质的影响。大部分关于混凝土路面的监测都是以压电陶瓷材料为主要的压电材料,但其抗冲击能力不够,容易发生断裂破坏,因此需要研究成本低廉、电学性能和物理性能优良的压电材料来弥补这一缺陷。

3 目前存在的问题及展望

压电技术在道路中的应用问题主要集中于用于道路的能量采集新材料的开发,路面结构中压电装置的埋设,所采集能量的高效存储和高效利用,压电材料与道路材料的适应性、对传统路面结构的影响,压电装置的生命周期成本、稳定性等问题。

(1)在混凝土路面服役期间,路面需要承受车辆荷载的反复作用,尤其是重型荷载,这对材料的力学性能、抗疲劳性能、抗老化性能都提出了很高的要求。因此,必须在保证压电性能稳定的条件下提高能量转换效率和抗压性能,在提高单一的压电陶瓷材料性能的基础上,可以进行二元、三元甚至多元压电复合材料的研究。例如,石墨-水泥基复合材料和柔性聚合基复合材料等。

(2)目前对于压电装置有诸多不同排列的安装方法,应合理设计压电换能器结构以便于能够正确安装,同时应对换能器能量的存储效率进行深入研究。压电能量接口电路对能量收集效率影响很大,因此,为了使能量收集系统获得更高的转换效率,压电能量接口电路的设计也应不断进行优化,匹配相符合的储能单元,才能更好地收集和存储能量。

(3)压电传感器在监测交通和道路健康的同时,需要对其在交通载荷和外部环境影响下的力学性能及疲劳老化情况进行研究,分析评估传感器的使用寿命和成本。研究者发现压电式能量采集器安装一年后,发电量显著下降[67],此时可用柔性压电膜代替刚性压电陶瓷,增大能量收集器的转换效率和输出性能。对传感器的重复利用进行深入研究,在提高性能的同时降低其使用成本。将压电装置埋设于道路中改变了路面结构,可能会对传统道路结构产生负影响,在设计压电装置时应该对其材料和结构进行调整,使其能更快更高效的应用在实际工程中。要加大力度对封装材料进行优化,特别是加入封装材料的掺料以及配比,在满足强度和绝缘性能等基本要求的同时,使得封装后的压电器件在高频荷载下具有更优的力学传递性能。

(4)沥青是一种温度依赖型材料,机械能和空隙率随着温度的变化而改变,当封装后的压电换能器置于沥青混凝土路面中时,研究温度的变化对能量转换效率的影响,确定最佳转换效率所对应的温度。可在不同地区对其进行模拟实验,根据南北温差及早、中、晚三个阶段的不同温度研究对能量转换效率的影响。在实际应用中道路交通环境对装置也有一定的影响,影响设备的发电效果和应用耐久性,因此需要根据环境对装置进行适当封装,使其内外环境的相互作用减少,提高适用性及耐久性。

(5)可将压电-热电、压电-太阳能等各种其他可行的技术进行集成组合,以获得更好的实际使用效率,且兼顾其他绿色、智能、可持续等特点。同时应对地质灾害、雨水、空气质量等一系列自然因素对发电路面的影响进行深入研究,最大限度地减少不必要的损失。

4 结论

(1)对几种不同类型的压电换能器的效率和刚度进行了比较,确定了适用于不同路面的换能器类型,工程所采用的能量收集系统装置必须结合适宜的换能器类型、路面能量收集电路和方法,从而实现高效率的绿色无污染能量收集技术。

(2)水泥基压电传感器可对交通状况进行监测,嵌入式水泥基压电传感器比普通的传感器性能更优异,稳定性更高,平均负载水平对传感器输出几乎没有影响,且可以为汽车提供实时报警信号,单个压电传感器瞬间点亮标志明显,实时报警效果较好。

(3)PZT/PVDF复合压电传感器具有优异的传感和驱动特性,可以有效监测和评估混凝土内部的结构问题,也可用于监测沥青路面裂缝的发展。