振動發(fā)電機(jī)測試平臺設(shè)計

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、運動員)上，在這類應(yīng)用中，這些感應(yīng)器件可以采集振動能量。自然運動或傳輸振動所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。這種電能足以驅(qū)動傳感器節(jié)點，如果以電池作為主電源，則至少有助于延長電池續(xù)航能力。

　　通過振動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動引起的。因此金屬圈的運動或振動會使金屬圈終端產(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動的相對運動和速度成正比。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)生對稱磁場，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)電壓與軸向磁場和徑向磁場成正比，線圈與永磁的相對速度、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，共同開發(fā)設(shè)計VEPG系統(tǒng)的完整工具。這種工具將包含一個捕獲運動和振動信息的完整的系統(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)出一個功能測試系統(tǒng)(圖1)，用來重現(xiàn)微型發(fā)電機(jī)通常工作的各種振動環(huán)境。

　　圖1：用馬達(dá)重現(xiàn)各種振動環(huán)境。VEPG被測器件(模糊)裝在一個運動的凸輪的頂端上。

　　要從振動系統(tǒng)或運動物體中提取能量，確定這種運動或振動的參數(shù)會有很大幫助。設(shè)計VEPG所需的基本參數(shù)包括運動的頻率和振幅。

　　在一些VEPG應(yīng)用中，例如用以監(jiān)測馬拉松運動員各種參數(shù)的可穿戴式系統(tǒng)，需要同時驅(qū)動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動數(shù)據(jù)，同時可運行一些高級應(yīng)用，通過對解釋數(shù)據(jù)的正確判斷增加發(fā)電量。