基于PVDF壓電膜的行車安全指示系統

代艷萍

摘要：為了實現對壓力的充分利用，并將其應用于解決行車盲區問題這一方面。本文根據壓電材料PVDF的壓電效應，將PVDF材料制成壓電薄膜嵌入到減速帶中，制成簡單的路面減速帶發電裝置。路面減速帶發電裝置安裝在需要車輛減速慢行且存在視覺盲區的路段。當汽車行駛時，車輛輪胎壓上嵌入PVDF材料的減速帶而產生電壓，使該電壓產生的交流電變成直流電對蓄電池進行充電，將得到的電能存入到蓄電池中，蓄電池將收集起來的電量供道路盲區指示燈使用。在降低行車速度的同時，既節能又達到了給駕駛員提供行車安全信號的效果。

關鍵詞：PVDF壓電膜;能量轉換;減速帶;行車視覺盲區

0 ?引言

近年來，利用壓電材料進行能量收集的研究越來越受到人們的關注，其綠色、節能、環保的特性也備受人們的青睞。利用壓電材料制作的壓電發電裝置具有環保、結構簡單、成本低，易于實現等優點。PVDF作為本文主要研究的壓電材料，其與常見的石英、壓電陶瓷等壓電材料相比具有良好的耐化學腐蝕性、耐氧化性、耐射線輻射性，壓電性、介電性、熱電性，靈敏度高、頻帶響應寬，制造簡單、成本低、使用壽命長等多種優點[1]。

1 ?壓電材料產生電能的原理

壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應，如圖1所示。壓電體受到外機械力作用而發生電極化，并導致壓電體兩端表面內出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外機械力成正比，這種現象稱為正壓電效應。壓電體受到外電場作用而發生形變，其形變量與外電場強度成正比，這種現象稱為逆壓電效應[2]。具有正壓電效應的固體，也必定具有逆壓電效應，如圖2所示。而高效壓電材料PVDF正是利用正壓電效應將機械能轉化為電能，從而實現發電的目的。

2 ?系統的結構設計

2.1 PVDF壓電薄膜的特性

考慮到PVDF壓電薄膜的輸出電壓與其面積成正比[3]，且PVDF壓電薄膜的應變越大，輸出電壓越高;在相同的面積和應變條件下，隨著PVDF壓電薄膜面積在厚度上的增大，PVDF壓電薄膜的輸出電壓越高，因此在車輛荷載范圍內，PVDF壓電薄膜的厚度應保證最大的應變[4]，使得PVDF壓電薄膜的輸出電壓最高。

2.2 路面減速帶發電裝置設計

減速帶發電裝置安裝在城市中車流量密集且需要汽車減速的路段和山路等兩車交會存在視覺盲區的地帶。減速帶下面安裝PVDF壓電薄膜和蓄電池，通過將汽車碾壓減速帶產生的壓力轉換為電流，系統將電能儲存至蓄電池中，同時蓄電池與指示燈連接[5]。系統內部流程如圖3所示。

3 ?行車視覺盲區研究

一般駕駛員的視覺盲區主要分為車內盲區和車外盲區。車內盲區一般是有自身車輛的車型決定，一般都為后視鏡盲區和AB柱盲區。研究表明，多數事故的發生是由于車外盲區。一般由車外盲區造成的交通事故包括：車道狹隘、車輛擁擠、城市路口右轉、進去小區或其他區域門口、傍山路或者靠近水源的路、天氣惡劣的情況下的轉彎、陡坡情況下的轉彎等，這幾種轉彎路況都存在很多的視覺盲區，極容易發生兩車相撞的交通事故。如果能結合本文研究的減速帶—指示燈系統，系統結構如圖4，將大幅提高駕駛員在轉彎等情況下的行車安全。

4 ?系統工作過程

假設現有一個T型小區出入口，主干路為雙向單車道，車輛甲準備從車道A處右轉到車道C處，在轉彎處存在一個轉彎盲區e，同時車輛乙即將直行通過出入口。情況如圖4所示。當車輛甲經由減速帶c時，指示燈a同時收到電信號，燈a亮;同時，若此時車輛乙從車道B直行經過，經由減速帶d時，指示燈b同時收到電信號，燈b亮。燈a和燈b的顯示將對雙方車輛起到警示作用，使駕駛員主動減速慢行。此外，該系統同樣可應用到傍山路、商業區出入口等易發生事故的地帶。具體流程如圖5所示。

5 ?結語

利用PVDF壓電薄膜的特性，在現有研究的基礎上將其與減速帶相結合，提高駕駛員在行經視覺盲區時的行車安全是設計的關鍵。本文提出的減速帶發電裝置利用的只是汽車在行駛過程中無用的機械能并將其轉換成電能，系統制造簡單、運行高效、清潔環保、成本低，具有較高的發展價值。但由于機械裝置本身存在加工以及誤差等因素，因此運行時存在一定的問題，還有待改進。

參考文獻：

[1]趙曉康.壓電發電技術在道路應用中的可行性研究[D].西安：長安大學，2013.

[2]項盛榮.基于PVDF壓電膜的輪胎壓力發電系統設計[J].蘭州工業學院學報，2016，10（23）：60-63.

[3]項盛榮.基于陶瓷壓電效應的輪胎壓力發電系統模型設計[J].電子設計工程，2017，01（25）：97-98.

[4]何仁，許旸.路面減速帶發電裝置設計與試驗[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016，11（30）：97-103.