基于压电效应的自供能无线动态称重传感器节点设计.pdfVIP

摘要

交通运输牵连着各地文化和经济的发展脉络，是国家大力发展的基础行业，但同时也滋

生了很多超限超载现象。动态称重作为治理这一现象的方式已然发展了几十年，但依旧存在

着成本较高、安装检修困难、布线工程繁琐、破坏路面结构严重等问题，针对以上问题，通

过比较选材、小型化设计、无线数据传输、压电能量收集等研究方法解决上述不足，设计一

款基于压电效应的自供能无线动态称重传感器节点。具体研究内容有以下几个方面：

（1）综合分析国内外路面动态称重和压电能量收集方面的研究现状，决定了传感器节点

的总体框架和设计要点，并对压电效应和称重原理进行了阐述。

（2）通过比选各种压电材料、压电陶瓷和结构构型，压电传感单元结构最终确定为并联

连接方式的三PZT-5H型压电陶瓷堆栈式，然后运用workbench软件对其进行静力学应力应

变仿真，最后对多个压电传感单元进行封装设计。

（3）无线称重传感模块的设计细分为信号采集、核心处理、数据传输三模块，分别研究

设计了这三个模块的主要硬件和相关电路，并制作实物电路板，然后用实物搭配万能试验机

做相关无线传输实验。

（4）分析压电发电特点为高电压非稳态交流电，选择有整流降压功能的LTC3588-1为能

量收集电路和磷酸铁锂电池为储能元件，然后利用万能试验机对传感器节点施加递增载荷，

测试其压电性能和LTC3588-1能量收集电路的实用性。在相同假设条件下，对电子元器件的

消耗能量和LTC3588-1的收集能量做了一个功耗分析计算，计算结果显示后者更大，证明了

自供能的合理性。

关键词：动态称重，压电效应，能量收集，低功耗，无线传输

ABSTRACT

Transportationisinvolvedintheculturalandeconomicdevelopmentofvariousplaces,isthe

nationaldevelopmentofthebasicindustry,butatthesametimealsobreedsalotofoverloading

phenomenon.Weigh-In-Motionasthewaytocontrolthisphenomenonhasbeendevelopedfor

decades,butstillthereisahighcost,difficultinstallationandmaintenance,wiringprojecttrival,

suchproblemsasseriousdamagethepavementstructure,inviewoftheaboveproblem,by

comparingthematerialselection,designofminiaturization,themethodsofwirelessdata

transmission,piezoelectricenergycollectionaddresstheaboveshortcomings,Aself-powered

wirelessWeigh-In-Motionsensornodebasedonpiezoelectriceffectisdesigned.Thespecific

researchcontentsareasfollows:

(1)BycomprehensivelyanalyzingtheresearchstatusofWeigh-In-Motionofpavementand

piezoelectricenergyharvestingathomeandabroad,theoverallframeworkanddesignkeypointsof