[发明专利]一种基于压电发电的铁路路基自供电传感网络布置方法

说明书

本发明一种基于压电发电的铁路路基自供电传感网络布置方法，针对不同的列车轴重和车速获得在不同路基深度的动力响应；针对每一路基深度，基于动力响应获得不同轴重、不同车速下的应变能；由动力响应获得动应力幅值和路基自振频率作为能量采集器的外部荷载输入，获得能量采集器转化的电能；将对应轴重和车速下的应变能和电能进行比较，当存在差值超过阈值时重新优化该路基深度的能量采集器的结构。本发明总结出不同轴重、不同速度、不同路基类型下铁路路基内部的动应力及振动频率的分布特点，根据路基内部的动应力及路基振动频率作为路基内部压电能量采集器设计及其布置依据，从而设计出适合铁路路基的压电能量收集器。

技术领域

本发明涉及传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于压电发电的铁路路基自供电传感网络及布置方法。

背景技术

国家大力提倡采用清洁能源，以及结合“智能建造”发展战略，将继续壮大清洁能源的发展，当下无线传感器网络节点大部分仍是由传统的电池供电。但位于铁路路基内部的传感器网络节点分布范围较广以及所处的铁路路基环境复杂多样，传统通过电池供电方式已不能满足无线传感网络节点长期运行的发展需求，位于铁路路基内部的电池电量有限，当电池电量耗尽时路基内部的电池不易更换、且庞大的路基系统将产生大量的废弃电池，废弃电池未能及时更换将对路基环境造成严重的污染。

目前针对铁路路基内部压电发电无源传感网络的供电方法、压电能量采集器的布置方式、压电能量采集器的结构类型、压电堆叠结构的连接方式、压电材料的选择、以及压电能量采集器的封装等均属于空白，所以亟需研究制定针对压电发电的铁路路基内部无源传感网络供电的具体方法。

当针对铁路隧道内部的路基布置无线传感网络时，通过光伏发电以及太阳能发电为无线传感网络提供电能受到了现场环境条件的制约，所以基于铁路路基振动的压电发电提供能量成为了一种较为理想的无线传感网络的供电方法。

压电能量收集相较静电式、复合式和电磁式能量收集更适合将其运用于铁路路基的无线传感网络的供电，其具有不受电磁的干扰、不需要再提供外电源作为启动电源、对环境无污染、稳定性好等多重优点。

目前国内尚无有关铁路路基内部压电能量采集器布置方法的研究。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于压电发电的铁路路基自供电传感网络布置方法，总结出不同轴重、不同速度、不同路基类型下铁路路基内部的动应力及振动频率的分布特点，根据路基内部的动应力及路基振动频率作为路基内部压电能量采集器设计及其布置依据，从而设计出适合铁路路基的压电能量收集器。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于压电发电的铁路路基自供电传感网络布置方法，包括：

确定能量采集器所处的各个路基深度、列车轴重范围以及车速范围；

针对不同的列车轴重和车速获得在不同路基深度的动力响应；

针对每一路基深度，基于所述动力响应获得不同轴重、不同车速下的应变能；由所述动力响应获得动应力幅值和路基自振频率作为能量采集器的外部荷载输入，获得能量采集器转化的电能；将对应轴重和车速下的应变能和电能进行比较，当存在差值超过阈值时重新优化该路基深度的能量采集器的结构，当不存在时，确定该路基深度的能量采集器的结构；

确定能量采集器的分布规律，布置各能量采集器，形成铁路路基自供电传感网络。

进一步地，针对不同的列车轴重和车速获得在不同路基深度的动力响应，包括：

针对不同的列车轴重和车速，进行现场实验，在不同的深度测试动应力幅值的变化和自振频率，作为动力响应；

或者进行有限元建模，针对不同的列车轴重和车速，计算不同深度的动应力幅值的变化和自振频率，作为动力响应。