随着我国道路里程的快速增长,其耐久性与安全性问题日益凸显,给国家带来巨大的经济负担。道路健康监测系统得到了人们的普遍关注。传统监测系统不但耗资大,而且安装不方便,且很难实现实时监测。无线监测系统具有造价及安装费用较低、灵活性高、传感器间通讯可靠等特点。但其能源供应模块发展相对滞后,已成为道路长期实时健康监测系统的主要瓶颈。本文通过理论推导、有限元分析、试件制作、性能测试设计出2种分别应用于沥青及水泥路面的新型叠堆式压电换能器,在不影响或微小影响道路正常使用功能的前提下保证实时健康监测系统能量供给。主要内容如下:(1)基于路面荷载特点,参考现有压电换能器结构形式,确定采用叠堆式换能器;根据33模式正压电效应理论,讨论影响叠堆及换能器力-电转换效率因素;根据力-电转换效率方程,确定压电叠堆电学连接形式;将路面变形协调一致性作为评价换能器的实用价值的指标,保证路面的正常使用功能是实现换能器实用价值的前提。(2)根据理论分析结果,确定换能器结构初步模型,通过ANSYS有限元分析软件,分析各因素对换能器开路电压及整体路面变形协调一致性的影响;通过控制变量法选取最优换能器具体结构形式;最终结合路面形变一致性及实际情况,设计出2种分别为沥青路面及水泥路面健康监测系统供给电能的换能器结构形式。(3)根据有限元分析设计结果,制作压电陶瓷叠堆及压电换能器;通过试验测试比较不同压电材料(PZT-5H与PZT-82),荷载大小及加载频率对制作叠堆及换能器发电性能影响,最终分别将2种换能器埋入沥青及水泥试块进行小尺寸室内试验。在模拟车辆荷载、频率10Hz、60s条件下,通过能量收集电路,对沥青及水泥路面用压电换能器可以收集最少1.35mJ、0.49mJ能量。