基于PVDF压电膜的行车安全指示系统

代艳萍

摘要：为了实现对压力的充分利用，并将其应用于解决行车盲区问题这一方面。本文根据压电材料PVDF的压电效应，将PVDF材料制成压电薄膜嵌入到减速带中，制成简单的路面减速带发电装置。路面减速带发电装置安装在需要车辆减速慢行且存在视觉盲区的路段。当汽车行驶时，车辆轮胎压上嵌入PVDF材料的减速带而产生电压，使该电压产生的交流电变成直流电对蓄电池进行充电，将得到的电能存入到蓄电池中，蓄电池将收集起来的电量供道路盲区指示灯使用。在降低行車速度的同时，既节能又达到了给驾驶员提供行车安全信号的效果。

关键词：PVDF压电膜;能量转换;减速带;行车视觉盲区

0  引言

近年来，利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们的关注，其绿色、节能、环保的特性也备受人们的青睐。利用压电材料制作的压电发电装置具有环保、结构简单、成本低，易于实现等优点。PVDF作为本文主要研究的压电材料，其与常见的石英、压电陶瓷等压电材料相比具有良好的耐化学腐蚀性、耐氧化性、耐射线辐射性，压电性、介电性、热电性，灵敏度高、频带响应宽，制造简单、成本低、使用寿命长等多种优点[1]。

1  压电材料产生电能的原理

压电效应分为正压电效应和逆压电效应，如图1所示。压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现象称为正压电效应。压电体受到外电场作用而发生形变，其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应[2]。具有正压电效应的固体，也必定具有逆压电效应，如图2所示。而高效压电材料PVDF正是利用正压电效应将机械能转化为电能，从而实现发电的目的。

2  系统的结构设计

2.1 PVDF压电薄膜的特性

考虑到PVDF压电薄膜的输出电压与其面积成正比[3]，且PVDF压电薄膜的应变越大，输出电压越高;在相同的面积和应变条件下，随着PVDF压电薄膜面积在厚度上的增大，PVDF压电薄膜的输出电压越高，因此在车辆荷载范围内，PVDF压电薄膜的厚度应保证最大的应变[4]，使得PVDF压电薄膜的输出电压最高。

2.2 路面减速带发电装置设计

减速带发电装置安装在城市中车流量密集且需要汽车减速的路段和山路等两车交会存在视觉盲区的地带。减速带下面安装PVDF压电薄膜和蓄电池，通过将汽车碾压减速带产生的压力转换为电流，系统将电能储存至蓄电池中，同时蓄电池与指示灯连接[5]。系统内部流程如图3所示。

3  行车视觉盲区研究

一般驾驶员的视觉盲区主要分为车内盲区和车外盲区。车内盲区一般是有自身车辆的车型决定，一般都为后视镜盲区和AB柱盲区。研究表明，多数事故的发生是由于车外盲区。一般由车外盲区造成的交通事故包括：车道狭隘、车辆拥挤、城市路口右转、进去小区或其他区域门口、傍山路或者靠近水源的路、天气恶劣的情况下的转弯、陡坡情况下的转弯等，这几种转弯路况都存在很多的视觉盲区，极容易发生两车相撞的交通事故。如果能结合本文研究的减速带—指示灯系统，系统结构如图4，将大幅提高驾驶员在转弯等情况下的行车安全。

4  系统工作过程

假设现有一个T型小区出入口，主干路为双向单车道，车辆甲准备从车道A处右转到车道C处，在转弯处存在一个转弯盲区e，同时车辆乙即将直行通过出入口。情况如图4所示。当车辆甲经由减速带c时，指示灯a同时收到电信号，灯a亮;同时，若此时车辆乙从车道B直行经过，经由减速带d时，指示灯b同时收到电信号，灯b亮。灯a和灯b的显示将对双方车辆起到警示作用，使驾驶员主动减速慢行。此外，该系统同样可应用到傍山路、商业区出入口等易发生事故的地带。具体流程如图5所示。

5  结语

利用PVDF压电薄膜的特性，在现有研究的基础上将其与减速带相结合，提高驾驶员在行经视觉盲区时的行车安全是设计的关键。本文提出的减速带发电装置利用的只是汽车在行驶过程中无用的机械能并将其转换成电能，系统制造简单、运行高效、清洁环保、成本低，具有较高的发展价值。但由于机械装置本身存在加工以及误差等因素，因此运行时存在一定的问题，还有待改进。

参考文献：

[1]赵晓康.压电发电技术在道路应用中的可行性研究[D].西安：长安大学，2013.

[2]项盛荣.基于PVDF压电膜的轮胎压力发电系统设计[J].兰州工业学院学报，2016，10（23）：60-63.

[3]项盛荣.基于陶瓷压电效应的轮胎压力发电系统模型设计[J].电子设计工程，2017，01（25）：97-98.

[4]何仁，许旸.路面减速带发电装置设计与试验[J].重庆理工大学学报（自然科学），2016，11（30）：97-103.