基于振動(dòng)能量俘獲的無(wú)線傳感器自供能技術(shù)研究

倪愛(ài)斌，許來(lái)濤

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

無(wú)線傳感器是獲取監(jiān)測(cè)信息最基本、最重要的一種技術(shù)，在各領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為了各領(lǐng)域最重要的技術(shù)支持。但是在實(shí)際的應(yīng)用中并沒(méi)有達(dá)到想象中的效果，主要原因在于無(wú)線傳感器技術(shù)的能量供應(yīng)問(wèn)題。但是無(wú)線傳感器技術(shù)并沒(méi)有像我們想象的那樣迅速市場(chǎng)化，其中最主要的問(wèn)題是傳感器的能量供應(yīng)問(wèn)題，能量供應(yīng)問(wèn)題已成為無(wú)線傳感器發(fā)展中的瓶頸。因此，針對(duì)無(wú)線傳感器的問(wèn)題，人們提出了自供能技術(shù)。

1 無(wú)線傳感器

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，信息技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用都非常廣泛，在發(fā)展的過(guò)程中，使得各領(lǐng)域的系統(tǒng)電源電路、傳送線路中使用的無(wú)線IC、控制器以及傳感器等器件的能量消耗巨大，需要引進(jìn)和研究新的技術(shù)以解決目前能量消耗的現(xiàn)狀。基于這些問(wèn)題，使用振動(dòng)能量俘獲技術(shù)，對(duì)無(wú)線傳感器的能量自供技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)振動(dòng)能量的收集，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，俘能器是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的重要組成部分，可以為系統(tǒng)中的其它部件提供能量的需求。

2 自供能技術(shù)

自供能技術(shù)是一種通過(guò)收集周圍環(huán)境中的能量而形成的一種技術(shù)，比如振動(dòng)能量、風(fēng)能、生能、熱能以及電磁能，將這些能量轉(zhuǎn)化為電能，為無(wú)線傳感器以及其它的電子設(shè)備提供可靠、安全、穩(wěn)定以及沒(méi)有壽命限制的電能供應(yīng)技術(shù)。按照自供能技術(shù)的方式，將傳感器分為兩種：有線傳感器和無(wú)線傳感器。有線傳感器主要采用的是電池供電的方式，傳播的距離非常遠(yuǎn)，操作方便，處理靈活，在市場(chǎng)上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是有線傳感器使用電池供電有一定的局限性，因?yàn)殡姵氐膲勖怯邢薜?，需要進(jìn)行定期的更換。電池的最大能量密度為3.78kJ/cm3，如果一個(gè)微功率電子器件的功率是1MW，工作10年就需要100cm3的電池進(jìn)行供電，使得器件的體積增加，電池輸出功率不穩(wěn)定。時(shí)間越久，輸出的功率和電壓就會(huì)越慢，對(duì)于一些特殊的器件損害將非常大。

無(wú)線傳感器的能量自供是我們需要重點(diǎn)研究的技術(shù)。在進(jìn)行能量收集時(shí)，與機(jī)械振動(dòng)能相比，太陽(yáng)能、風(fēng)能等能量受外界天氣的影響較大，在晴天太陽(yáng)能的功率密度可以達(dá)到15000，陰天太陽(yáng)能的功率密度只有150，晴天和陰天太陽(yáng)能的差距達(dá)100倍之多，而風(fēng)能的區(qū)域性特點(diǎn)又比較明顯。因此，在能量自供方面，機(jī)械振動(dòng)能的回收再利用成為了研究的重點(diǎn)。振動(dòng)能量在社會(huì)中的應(yīng)用也比較廣泛，主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，比如機(jī)械、汽車、電子、航空航天等，振動(dòng)中所使用的高能量成為了焦點(diǎn)，這些振動(dòng)能量的存在，有時(shí)候是有害的，比如管道的振動(dòng)會(huì)降低管道的使用壽命、飛機(jī)的機(jī)翼振動(dòng)會(huì)增加空難機(jī)率等，這些振動(dòng)能量的合理利用成為了專家們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。根據(jù)這些能量的產(chǎn)生特點(diǎn)以及供應(yīng)方式，振動(dòng)能的利用性最大，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為無(wú)線傳感器的供電提供解決的方法，大大拓寬了無(wú)線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 振動(dòng)俘獲技術(shù)

俘能器的結(jié)構(gòu)：環(huán)境能量轉(zhuǎn)換的俘能器主要由電壓層、主結(jié)構(gòu)、永磁鐵以及線圈所組成。

根據(jù)俘能器的機(jī)理，可以分為壓電式俘能器、電磁式浮能器和靜電式俘能器，其中電壓式俘能器與電磁式俘能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)電耦合的系數(shù)比較大，不需要接通電源就可以使用，這些優(yōu)點(diǎn)，使這兩種俘能器備受社會(huì)各界的關(guān)注。俘能器的最大輸出電壓與功率：在0.57g（g=9.8m/s2）的加速度下，最大輸出電壓為68.2mV，功率為115.1μW；在單懸臂梁壓電的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多懸臂梁壓俘能器，并得出最大的輸出功率；由于壓電式與電磁式的俘能器不能同時(shí)輸出大電流，為了達(dá)到更好的效果，研究人員提出了壓電-電磁復(fù)合式的俘能器，以達(dá)到最大輸出功率的效果，并將其應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，代替現(xiàn)有的電池供電的方式。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理：磁鐵作為整個(gè)質(zhì)量塊的中心，主要通過(guò)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，在外界的作用下，磁鐵的振動(dòng)使得梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，主要通過(guò)線圈的方式使磁通量發(fā)生改變，并根據(jù)壓電效應(yīng)與電磁感應(yīng)，使得PZT層與線圈產(chǎn)生了電壓信號(hào)。

俘能器解析表達(dá)式：當(dāng)z(t)為磁鐵，u為輸出電壓，Ic為輸出電流，其表達(dá)式為：

上述表達(dá)式中a（t）為加速度，m為等效質(zhì)量，K為等效剛度，C為機(jī)械速度，θ、gc為壓電俘能與電磁俘能的傳遞因子，R1、R2為壓電與電磁單元的外接載力，CP為壓電的等效電容，Rc、Lc線圈的電阻和電容。

（3）質(zhì)量塊最大振幅：

4 能量收集設(shè)計(jì)

（1）電路設(shè)計(jì)。俘能器輸出的能量在使用的過(guò)程中不能被微器件直接使用，因此，設(shè)計(jì)了壓電俘能器能量收集電路，將俘獲器中的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，用于能量的儲(chǔ)存。壓電俘能器具有電壓大、電流小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)壓電俘能收集電路，主要采用LTC3588芯片，進(jìn)行能量的收集，提高能量的轉(zhuǎn)換效率。LTC3588芯片可以對(duì)壓電俘能單元的輸出端進(jìn)行直接連接，運(yùn)用spice軟件對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 壓電俘能收集電路參數(shù)表

采用LTC3108芯片對(duì)收集電路的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)，LTC3108是AC/DC轉(zhuǎn)換器，可以在小于20mV輸入電壓的環(huán)境下進(jìn)行工作，交流電壓可以通過(guò)一個(gè)外接的變壓器和耦合電容進(jìn)行擴(kuò)大，接入芯片的內(nèi)部，通過(guò)輸出端得到不同的電壓參數(shù)，運(yùn)用spice軟件得出以下參數(shù)，如表2所示。

表2 電磁俘能收集電路參數(shù)表

（2）電路測(cè)試。通過(guò)設(shè)計(jì)的壓電-電磁復(fù)合式俘能器，進(jìn)行能量收集，并進(jìn)行收集電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后對(duì)電路進(jìn)行最后的測(cè)試，壓電式俘能器的收集電路P1端和P2端，采用a=0，b=1，c=3.3V通道；在0.6g的速度下，在俘能器的最佳負(fù)載和諧振頻率下進(jìn)行工作測(cè)試，并對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，每隔10min記錄1次電壓值，對(duì)俘能器的充電線路進(jìn)行測(cè)試，得出復(fù)合式俘能器的俘能效率優(yōu)于其他兩種方式的結(jié)論。

5 利用振動(dòng)俘獲器進(jìn)行無(wú)線傳感器能量自供的應(yīng)用價(jià)值

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)線傳感器的主要能量來(lái)源還是來(lái)自于電池供電的方式，無(wú)法獲得長(zhǎng)久的電池壽命，采用電池供電，如果想要使電池的壽命更長(zhǎng)一些，需要對(duì)系統(tǒng)減小使用功率，或者是采取其他的方式進(jìn)行省電模式，這些都會(huì)阻礙傳感器的使用，有一定的局限性，不能從根本上解決傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問(wèn)題。如果利用能量收集的方式或者能量挖掘的技術(shù)，使無(wú)線傳感的節(jié)點(diǎn)在能量消耗時(shí)進(jìn)行能量遞減，利用能量管理與能量轉(zhuǎn)移的技術(shù)，使無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)達(dá)到永久的使用壽命，使得無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠無(wú)限循環(huán)的使用，這才是從根本上解決了無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量供給問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述文章的分析，得出使用俘能器技術(shù)將環(huán)境中的振動(dòng)能量進(jìn)行收集整理，并對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器自動(dòng)供能的功能。采用壓電-電磁復(fù)合式俘能器，得出機(jī)電耦合狀態(tài)下的輸出功率表達(dá)式，對(duì)俘能器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。俘能器通過(guò)壓電材料以及電磁感應(yīng)將兩種材料轉(zhuǎn)換為能量，為無(wú)線傳感器提供電能，代替電池供電，不僅能夠解決電池供電困難的問(wèn)題，而且在無(wú)線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域方面也有非常重要的作用。