本文是一篇机械自动化类论文，本研究结合无线传输技术、小型化设计以及减小制造成本，研发了一款基于压电膜盒式荷重传感器的道路动态称重系统。
第1章 绪论
1.1 课题背景和研究意义
进入21世纪以来，我国交通强国战略的迅速实施与社会经济的蓬勃发展相互促进，共同推动了交通运输行业的持续进步。根据2023年交通运输行业发展统计公报，截至该年末，全国公路总里程达到543.68万公里，较上年末增长了8.20万公里。公路的密度也达到了56.63公里/百平方公里，对比上年末增加了0.85公里/百平方公里，如图1.1所示。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 压电装置的能量收集技术的研究现状
能量的相互转化是自然界中的一种普遍现象，为电能与其他形式能量之间的转换提供了理论基础。其他形式的能量转化为电能的过程称为发电，而在当前的技术背景下，发电方式多种多样。相较于传统的发电方式，如火力发电，压电发电装置展现出了独特的优势，包括结构简单、环保无污染、节省资源以及高能量密度等特点。正因为这些优点，压电材料被科学家们发掘出多种类型，并被广泛应用于风能发电与能量回收等领域。
近年来，鉴于公路的受载振动特性，越来越多的研究者开始专注于路面压电能量收集的研究。李雪伟和他的研究团队研发了一种新型的自供电混合整流器，专门设计用于压电能量收集。该混合整流器的目标是提高收集功率的效率，并确保整流器能够自我供电[3]。通过这些努力，有望为未来的能源利用和可持续发展开辟新的道路。
李明春的研究团队运用地板式压电振动能量收集技术，对现有压电陶瓷装置进行了优化升级，成功构建了一个能够高效存储振动产生的微弱能量的压电能量收集系统[4]。Zhou和他的研究团队成员对压电材料等领域的相关文献做了一个特别全面的综合评述[5]。
Almouahed和其研究团队成员设计出一种压电能量收集器。这些元件不仅能感应力量，还能发电，从而为数据采集、处理与传输提供所需的能源[6]。
杨海露的研究团队对压电堆栈换能器进行了深入研究。研究结果显示，尽管并联式压电堆栈换能器产生的电压相对较低，但其产生的电能却比串联式更多[7]。
Wang的研究工作组设计了一个长宽大小为15 cm × 15 cm的道路压电能量收集器，并将其置于车辆车轮的行驶路线上。在不同的正弦应力条件下进行测试，发现由9个堆叠并联的压电元件组成的装置能够实现最高的收获功率，功率数值达到50.41 mW[8]。长安大学的邹祥团队致力于研发一种自供电无线传感系统，旨在应用于路面信息采集，特别是交通流量的监测。他们选用了环氧树脂作为材料用于制作无线传感系统的外围封装结构，并成功将其嵌入沥青中，并对装置的发电性能进行深入钻研[9]。
第2章 基础理论和压电膜盒式荷重传感器
2.1 基础理论
2.1.1 压电材料的相关参数
深入解读公式时，可以发现，在压电材料的各尺寸保持不变的情况下，介电常数的大小直接影响了压电材料的固有电容。介电常数的增大，会直接导致其固有电容的增大。会从相对介电常数、压电应变常数、压电电压常数以及弹性常数等进行考量和比较，这些参数在评估压电材料的性能时具有不可忽视的作用[49]。
2.1.2 压电效应
压电材料，作为一种独特的工程材料，它同时具备出色的力学性能和电学性能。其最值得深入研究的特性，便是压电效应，这一效应巧妙地将力学与电学紧密地联结在一起。压电效应，具体来说，可以分成正压电效应和逆压电效应两种形式。如图2.1所示：
2.2 压电膜盒式荷重传感器
压电膜盒式荷重传感器主要用于测量动态的力或重量。其核心原理是利用压电材料的特性，将机械能转换为电能，从而实现对动态的力或重量进行精确测量。该传感器在现代工业自动化和精密测量领域发挥着重要作用，同时也在航空航天、汽车制造、医疗设备等领域得到广泛应用。
2.2.1 压电膜盒式荷重传感器的结构设计原理
传感器的核心是压电膜盒结构。压电膜盒结构由多层压电薄膜堆叠而成，当外力作用在膜盒上时，压电薄膜会发生微小的形变，由压电正效应可知，形变会导致压电薄膜在其相对的表面分别产生等量且相反的正负电荷，最终在膜盒表面就产生了一个电压信号。这个电压信号数值大小与作用力的大小成正比。
压电膜盒结构的设计关键在于，它不仅要保证载荷的均匀传递，还要具有足够的刚性以抵抗外部干扰。
长期稳定性是压电膜盒式传感器的一个显著优势，经过特殊处理的压电材料和精密装配工艺，使传感器在长期使用中保持稳定的输出特性，年漂移量可控制在0.02%以内，使膜盒能够在数百万次的荷载循环中保持稳定的性能。
第3章 压电传感器选型与动态称重系统结构设计 ............................ 17
3.1 压电传感器选型 ................................. 17
3.1.1 各类型压电传感器 ................................ 17
3.1.2 DYMH-102 型压电膜盒式荷重传感器 .................................. 18
第4章 无线传输体系搭建与实验分析 ............................ 28
4.1 第一套无线传输体系模块选型 .............................. 28
4.1.1 第一套无线传输体系信号处理模块选型 ..................... 28
4.1.2 第一套无线传输体系信号采集模块选型 .............................. 29
第5章 有线传输体系搭建与初步路面实验 .................. 44
5.1 有线传输体系模块选型与搭建 ........................ 44
5.1.1有线传输体系模块选型 ............................ 44
5.1.2 有线传输体系搭建 ................................... 45
第5章 有线传输体系搭建与初步路面实验
5.1 有线传输体系模块选型与搭建
5.1.1 有线传输体系模块选型
有线传输在电磁干扰环境下表现更稳定，尤其在工业场景中，能够有效减少信号失真。通过电缆传输，信号可以覆盖较远距离，适合大范围设备监控。有线传输带宽大，能够快速传输大量数据，适合高精度、高频率的采集需求。有线传输的信号衰减较低，适合长距离传输，确保数据准确性。模块通常支持多种通信协议，易于集成到现有系统中。有线传输延迟低，适合需要实时监控和控制的场景。物理连接方式使得故障排查和维护更加简便。综上所述，有线传输的模拟量采集模块在抗干扰、传输距离、速率、可靠性、安全性等方面具有显著优势。
经过多重对比性能，最终选择了中盛科技生产的一款模拟量采集模块，它的具体型号为ZS-AI-3-RS485，这款模拟量采集模块是一款高性能的数据采集设备，模块实物如图5.1所示。
第6章 总结与展望
6.1 总结
以压电传感器为基础的动态称重技术作为一种新兴的路面动态称重技术，拥有着广阔的发展前景。这不仅能够提升道路的安全性和通行效率，还能为交通管理提供至关重要的数据支撑。主要研究内容是：
首先，对压电传感器的基础理论进行了深入研究，其中详细阐述了压电材料的基本参数、压电效应以及压电方程理论。基于这些理论，搭建起了动态称重系统整体研究工作的框架，该框架包含了几个核心研究部分：压电传感器的具体型号选定、封装主体的结构设计、数据传输体系的构建，以及相应的实验检测与分析工作。
在压电传感器的选型与动态称重主体结构的设计过程中，根据动态称重的实际需求，选定了DYMH-102型膜盒式荷重传感器。同时，结合传感器的外形结构以及市面上常见的路面打孔取芯机直径规格，完成了主体结构的三维建模设计。经过对主体结构制作材料的挑选和深入的仿真分析，并制作出了主体结构的实物，对其进行了强度测试实验。实验验证的结果显示，所设计的结构在综合性能方面表现出极高的可靠性。
完成了两套无线传输体系和一套有线传输体系搭建。首套体系经循环荷载实验和模拟道路实验后，发现模拟量采集模块采样频率低及无线传输通讯延迟问题。也尝试选择模拟量采集与无线传输功能于一体的新型硬件模块，搭建第二套无线传输体系，第二套体系存在数据无法解析这一问题。有线传输体系搭建顺利实现了这套新型动态称重系统的动态称重功能。
在经历了两次无线传输体系和一次有线传输体系搭建探索以后，最终实现了动态称重。为了验证系统性能，使用了家用轿车进行了极限速度下的检测实验，以及小型货车进行了动态负载测量精度的探究实验。
参考文献（略）
