CN105082901A - 一种基于能量收集装置的胎压监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于能量收集装置的胎压监测系统，包括发射器(1)和接收显示装置(2)。所述发射器(1)包括：胎压信号传感器，用于实时监测轮胎压力温度；发射端中央处理器，连接到胎压信号传感器并用于处理监测到的轮胎压力温度信号，然后通过RF发射出去；能量收集模块采用压电能量收集器，用于收集轮胎转动时产生的能量；电能存储模块，用于将能量收集模块收集的能量转换成电能并存储以及对发射器(1)进行供电；所述接收显示装置(2)包括：接收机，用于接收所述轮胎压力温度信号；接收端中央处理器，用于处理接收到的轮胎压力温度信号，然后发送给显示屏进行显示；电源对接收显示装置(2)进行供电。
Description
技术领域
本发明属于胎压监测系统(TPMS)领域，特别是涉及一种基于能量收集装置的胎压监测系统。
背景技术
根据公安部交管部门交通事故数据显示，每年的交通事故中约20％是由于爆胎引起的。在美国，国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)发布规定所有新车在2007年均要求安装胎压监控系统，在中国，2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准一《机动车运行安全技术条件(征求意见稿)》也对安装轮胎压力检测装置作出了说明。汽车胎压监测系统的功能是实时监测胎压，接收端轮流显示发射端通过无线通讯方式发来的胎压及胎温数据；可以进行轮胎慢漏气胎压过低报警、车辆超载胎压过高报警、轮胎老化胎压异常报警、胎温过高报警、主机电池低电量提示等工作，并且在停车时显示屏自动关闭、电池供电时主机可自动进入停车省电模式，还可根据车型及轮胎位置设定相应的标准压力值。安装汽车胎压监测系统的好处有：检测胎压，预防爆胎；节省燃油，汽车降低排放；减少磨损，轮胎寿命更长；确保操控性能；避免车辆部件非正常磨损。
汽车胎压监测系统的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压、温度、变形等进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。其工作原理是：轮胎上安装一个传感器，传感器中包括感应气压的电桥式电子气压感应装置，它将气压信号转换为电信号，通过无线发射装置将信号发射出来。有的轮胎检测传感器还包含有测量温度、应变、将速度等参数的功能，为汽车行驶提供更多安全信息。该传感器通过无线方式发射到接收端，在显示器上显示各种数据变化或以蜂鸣等形式，提醒驾车者。并在轮胎漏气和压力变化超过安全限制时进行报警，以保障行车安全。
正因为胎压检测有诸多益处，可以降低交通事故发生几率，保护人身财产安全，所以拥有广阔市场。由于轮胎是一个相对独立的空间，胎压监测系统无法通过有线方式供电，一般采用化学电池作为电源，但化学电池存在体积大，使用寿命短的不足，且废旧电池处理不当还会造成严重的环境污染，因此近年来能量采集成为众多学者研究热门领域。能量采集系统研究的是如何为更换电池不方便的设备利用周围环境中的能量实现能量自给的。
能量收集自2000年初就出现了，但只是凭借近期的技术发展才将其推近至商业化阶段。其运用在运输基础设施，无线医疗设备，轮胎压力检测，楼宇自动化等等多个方面。能量收集技术主要包括压电能量收集技术、电磁能量收集技术、热电能量收集技术、薄膜电池材料与技术、生物MEMS能量收集技术等，但是能实现微型化的能量收集技术不多，而胎压检测装置本身体积较小，如何采取有效的能量收集技术来实现其本身的低能耗也是亟需解决的问题之一。
发明内容
针对以上问题，本发明基于现有的胎压监测系统，首次提供了一种基于能量收集装置的胎压监测系统，解决了目前胎内传感器及无线发射装置不易供电的行业共性难题，与同类产品比较本项目研发的产品具有体积小、重量轻、使用寿命长，稳定性和可靠性强；使用时无环境污染，对节约资源和能源、减少环境污染，促进我国循环经济发展具有极其重要意义。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于能量收集装置的胎压监测系统，包括发射器(1)和接收显示装置(2)，所述发射器(1)包括：胎压信号传感器，用于实时监测轮胎压力温度；发射端中央处理器，连接到胎压信号传感器并用于处理监测到的轮胎压力温度信号，然后通过RF发射出去；能量收集模块采用压电能量收集器，用于收集轮胎转动时产生的能量；电能存储模块，用于将能量收集模块收集的能量转换成电能并存储以及对发射器(1)进行供电；所述接收显示装置(2)包括接收机，用于接收所述轮胎压力温度信号；接收端中央处理器，用于处理接收到的轮胎压力温度信号，然后发送给显示屏进行显示；电源对接收显示装置(2)进行供电。
其能量收集模块包括一安装框架(3)，一支撑杆(4)，一偏心转动质量块(5)，一固定轴(6)，和多个压电弯曲元件(7)；支撑杆(4)的一端部固定安装在安装框架(3)的底面上，另一端部上设置有固定轴(6)；偏心转动质量块(5)通过固定轴(6)安装到支撑杆(4)上，并基于车轮的转动可以围绕固定轴(6)转动；在安装框架(3)的顶面和侧面的中部分别设有一压电弯曲元件(7)，压电弯曲元件(7)结构为三层结构，中间层为柔性支撑基片，上下压电层形成在柔性支撑基片两侧；偏心转动质量块(5)的端部在转动时拨动压电弯曲元件(7)的端部，从而使得压电弯曲元件(7)发生弯曲形变，来诱发材料内部电荷位移产生电场/电压。
其发射器(1)安装在轮圈上、气门嘴上、轮毂上或者轮胎内。
其能量收集模块的柔性支撑基片是塑料，金属或者其他的柔性材料，以允许上下压电层粘合于其上。
其偏心转动质量块(5)的形状是椭圆形，固定轴(6)位于其一个焦点上。
其发射器(1)通过绑带或者胶带固定在轮圈中间；或者通过固定装置固定到轮毂上，再通过延伸气管和车轮气门嘴相连接；或者直接通过固定装置固定在车轮气门嘴上；又或者首先固定在橡胶的补胎片上，补胎片再通过硫化胶固定在轮胎内壁上。
附图说明
图1：为本发明的基于能量收集装置的胎压监测系统的构架示意图；
图2：为现有技术的压电能量收集器示意图；
图3：为本发明的压电能量收集器的示意图；
图4：为本发明的发射器安装到汽车轮胎上的示意图。
具体实施方式
如图1所示：本发明的基于能量收集装置的胎压监测系统，包括发射器1和接收显示装置2，发射器1可以安装在轮圈上、气门嘴上、轮毂上或者轮胎内，所述发射器1包括胎压信号传感器，用于实时监测轮胎压力温度；发射端中央处理器，连接到胎压信号传感器并用于处理监测到的轮胎压力温度信号，然后通过RF发射出去；能量收集模块采用压电能量收集器，用于收集轮胎转动时产生的能量；电能存储模块，用于将能量收集模块收集的能量转换成电能并存储以及对发射器1进行供电；所述接收显示装置2包括接收机，用于接收所述轮胎压力温度信号；接收端中央处理器，用于处理接收到的轮胎压力温度信号，然后发送给显示屏进行显示；电源对接收显示装置2进行供电。
图2所示为现有技术的压电能量收集器，其中Si基片基础上制备的SiO2悬臂梁是结构支撑层，Pt/Ti复合层作为上下电极采集压电层PZT材料31模式下的压点电荷，悬臂梁自由端引入质量块来降低整体结构固有频率。压电能量收集器其基本工作原理是压电效应，当器件谐振工作于外界振动激励时，压电结构发生最大形变，压电材料产生相应的应力应变，从而诱发材料内部电荷位移产生最强电场/电压。通过电路整流、电荷存储等即可实现机械能向电能的转换和采集。本发明之所以采用压电能量收集器，是由于通常压电能量收集器能够实现小型化，但是由于通常车辆内环境的振动源基本特征频率比较低，在1KHz以下甚至低于100Hz，而通常情况下随着尺寸的减小，结构的固有频率会上升，因此，设计压电能量收集器结构谐振工作于低频振动是必要工作。
图3为本发明的压电能量收集器的剖面图，其包括一安装框架3，一支撑杆4，一偏心转动质量块5，一固定轴6，和多个压电弯曲元件7，图3实施例仅仅示出3个压电弯曲元件7，当然本发明还可以采用其他的数量，支撑杆4，一端部固定安装在安装框架3的底面上，另一端部上设置有固定轴6，偏心转动质量块5通过固定轴6安装到支撑杆4上，并基于车轮的转动可以围绕固定轴6转动，在安装框架3的顶面和侧面的中部分别设有一压电弯曲元件7，压电弯曲元件7结构为三层结构，中间层为柔性支撑基片，上下压电层形成在柔性支撑基片两侧，柔性支撑基片可以是塑料，金属或者其他的柔性材料，以允许上下压电层粘合于其上，偏心转动质量块5的端部在转动时拨动压电弯曲元件7的端部，从而使得压电弯曲元件7发生弯曲形变，来诱发材料内部电荷位移产生电场/电压。本压电能量收集器可以通过偏心转动质量块5在汽车行使过程中由于轮胎转动而产生转动来引发压电弯曲元件7发生弯曲形变，达到了较好的能量收集效果，并容易实现小型化。
偏心转动质量块5形状可以采用椭圆形状，固定轴6位于其一个焦点上。
图4为本发明的发射器安装到汽车轮胎上的示意图，示出了发射器1安装在汽车车轮的轮圈上的实施例，其发射器1可以通过绑带或者胶带等形式固定在轮圈中间。当然，发射器1也可以通过固定装置固定到轮毂上，再通过延伸气管和气门嘴相连接，或者直接通过固定装置固定在气门嘴上，又或者首先固定在橡胶的补胎片上，补胎片再通过硫化胶固定在轮胎内壁上。
Claims (6)
1.一种基于能量收集装置的胎压监测系统，包括发射器(1)和接收显示装置(2)，所述发射器(1)包括：胎压信号传感器，用于实时监测轮胎压力温度；发射端中央处理器，连接到胎压信号传感器并用于处理监测到的轮胎压力温度信号，然后通过RF发射出去；能量收集模块采用压电能量收集器，用于收集轮胎转动时产生的能量；电能存储模块，用于将能量收集模块收集的能量转换成电能并存储以及对发射器(1)进行供电；所述接收显示装置(2)包括接收机，用于接收所述轮胎压力温度信号；接收端中央处理器，用于处理接收到的轮胎压力温度信号，然后发送给显示屏进行显示；电源对接收显示装置(2)进行供电。
2.如权利要求1所述的胎压监测系统，其能量收集模块包括一安装框架(3)，一支撑杆(4)，一偏心转动质量块(5)，一固定轴(6)，和多个压电弯曲元件(7)；支撑杆(4)的一端部固定安装在安装框架(3)的底面上，另一端部上设置有固定轴(6)；偏心转动质量块(5)通过固定轴(6)安装到支撑杆(4)上，并基于车轮的转动可以围绕固定轴(6)转动；在安装框架(3)的顶面和侧面的中部分别设有一压电弯曲元件(7)，压电弯曲元件(7)结构为三层结构，中间层为柔性支撑基片，上下压电层形成在柔性支撑基片两侧；偏心转动质量块(5)的端部在转动时拨动压电弯曲元件(7)的端部，从而使得压电弯曲元件(7)发生弯曲形变，来诱发材料内部电荷位移产生电场/电压。
3.如权利要求2所述的胎压监测系统，其发射器(1)安装在轮圈上、气门嘴上、轮毂上或者轮胎内。
4.如权利要求2所述的胎压监测系统，其能量收集模块的柔性支撑基片是塑料，金属或者其他的柔性材料，以允许上下压电层粘合于其上。
5.如权利要求2所述的胎压监测系统，其偏心转动质量块(5)的形状是椭圆形，固定轴(6)位于其一个焦点上。
6.如权利要求3所述的胎压监测系统，其发射器(1)通过绑带或者胶带固定在轮圈中间；或者通过固定装置固定到轮毂上，再通过延伸气管和车轮气门嘴相连接；或者直接通过固定装置固定在车轮气门嘴上；又或者首先固定在橡胶的补胎片上，补胎片再通过硫化胶固定在轮胎内壁上。
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