振動(dòng)發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)近來已延伸至各種環(huán)境及工業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)常用在不易接近和維護(hù)成本較高的地方。

　　依靠部分電路激活或看門狗，新一代微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)僅幾微安的功耗。低功耗的感應(yīng)器件經(jīng)常應(yīng)用到基礎(chǔ)設(shè)施(例如橋梁)、機(jī)械(例如電梯、馬達(dá)、汽車部件)中，甚至可以穿戴在人體(例如病人、運(yùn)動(dòng)員)上，在這類應(yīng)用中，這些感應(yīng)器件可以采集振動(dòng)能量。自然運(yùn)動(dòng)或傳輸振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。這種電能足以驅(qū)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，如果以電池作為主電源，則至少有助于延長(zhǎng)電池續(xù)航能力。

　　通過振動(dòng)能量供電的能量采集器采用永磁材料與繞組來獲取能量，這就是通常所說的振動(dòng)式發(fā)電機(jī)(VEPG)。普萊默集團(tuán)(Premo Group)正在開發(fā)微型VEPG，用來替代傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以及低功耗微控制器中的電池在諸如穿戴式心跳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或汽車TPMS等應(yīng)用。這些微型VEPG能夠產(chǎn)生2mW至6mW的功率(足以替代2016或2032型小型電池)。

　　根據(jù)電磁定律，金屬圈中磁通量變化會(huì)使金屬線中產(chǎn)生電磁力。磁通量變化是由于金屬圈中不斷變化的通量密度或金屬圈的運(yùn)動(dòng)引起的。因此金屬圈的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)會(huì)使金屬圈終端產(chǎn)生電壓，該電壓與金屬圈的截面積、引起通量變化的這種運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和速度成正比。如果我們使用線圈的話，感應(yīng)電壓還與線圈匝數(shù)成正比。

　　永磁一般產(chǎn)生對(duì)稱磁場(chǎng)，所產(chǎn)生的電磁力完全取決于磁通量密度的軸向分量(Bz)和徑向分量(Br)，而與切向分量(BF)無關(guān)。由于感應(yīng)電壓與軸向磁場(chǎng)和徑向磁場(chǎng)成正比，線圈與永磁的相對(duì)速度、其截面和線圈匝數(shù)都可以確定發(fā)電量。

　　普萊默集團(tuán)聯(lián)合馬拉加大學(xué)、西班牙電子技術(shù)部和巴塞羅那(加泰羅尼亞理工大學(xué)CEIB組)的研究團(tuán)隊(duì)，共同開發(fā)設(shè)計(jì)VEPG系統(tǒng)的完整工具。這種工具將包含一個(gè)捕獲運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)信息的完整的系統(tǒng)、用于處理數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用以及用于制造原型采用有限單元的VEPG仿真工具。此外，他們還開發(fā)出一個(gè)功能測(cè)試系統(tǒng)(圖1)，用來重現(xiàn)微型發(fā)電機(jī)通常工作的各種振動(dòng)環(huán)境。

　　圖1：用馬達(dá)重現(xiàn)各種振動(dòng)環(huán)境。VEPG被測(cè)器件(模糊)裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)的凸輪的頂端上。

　　要從振動(dòng)系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)物體中提取能量，確定這種運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的參數(shù)會(huì)有很大幫助。設(shè)計(jì)VEPG所需的基本參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)的頻率和振幅。

　　在一些VEPG應(yīng)用中，例如用以監(jiān)測(cè)馬拉松運(yùn)動(dòng)員各種參數(shù)的可穿戴式系統(tǒng)，需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)脈搏和溫度傳感器以及顯示屏。普萊默集團(tuán)已與馬拉加大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出一種新型系統(tǒng)，不但可通過一系列傳感器提取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)可運(yùn)行一些高級(jí)應(yīng)用，通過對(duì)解釋數(shù)據(jù)的正確判斷增加發(fā)電量。