振动发电机测试平台设计

 

　　传感器网络近来已延伸至各种环境及工业数据采集应用中，例如，温度、湿度、加速度、压力和其他相关工艺信息的采集。传感器节点将数据记录传送给中央单元进行控制操作，常用在不易接近和维护成本较高的地方。

　　依靠部分电路激活或看门狗，新一代微控制器能够实现仅几微安的功耗。低功耗的感应器件经常应用到基础设施(例如桥梁)、机械(例如电梯、马达、汽车部件)中，甚至可以穿戴在人体(例如病人、运动员)上，在这类应用中，这些感应器件可以采集振动能量。自然运动或传输振动所产生的机械能转换成电能。这种电能足以驱动传感器节点，如果以电池作为主电源，则至少有助于延长电池续航能力。

　　通过振动能量供电的能量采集器采用永磁材料与绕组来获取能量，这就是通常所说的振动式发电机(VEPG)。普莱默集团(Premo Group)正在开发微型VEPG，用来替代传感器网络应用以及低功耗微控制器中的电池在诸如穿戴式心跳监测系统或汽车TPMS等应用。这些微型VEPG能够产生2mW至6mW的功率(足以替代2016或2032型小型电池)。

　　根据电磁定律，金属圈中磁通量变化会使金属线中产生电磁力。磁通量变化是由于金属圈中不断变化的通量密度或金属圈的运动引起的。因此金属圈的运动或振动会使金属圈终端产生电压，该电压与金属圈的截面积、引起通量变化的这种运动的相对运动和速度成正比。如果我们使用线圈的话，感应电压还与线圈匝数成正比。

　　永磁一般产生对称磁场，所产生的电磁力完全取决于磁通量密度的轴向分量(Bz)和径向分量(Br)，而与切向分量(BF)无关。由于感应电压与轴向磁场和径向磁场成正比，线圈与永磁的相对速度、其截面和线圈匝数都可以确定发电量。

　　普莱默集团联合马拉加大学、西班牙电子技术部和巴塞罗那(加泰罗尼亚理工大学CEIB组)的研究团队，共同开发设计VEPG系统的完整工具。这种工具将包含一个捕获运动和振动信息的完整的系统、用于处理数据的软件应用以及用于制造原型采用有限单元的VEPG仿真工具。此外，他们还开发出一个功能测试系统(图1)，用来重现微型发电机通常工作的各种振动环境。

　　

 

　　图1：用马达重现各种振动环境。VEPG被测器件(模糊)装在一个运动的凸轮的顶端上。

　　要从振动系统或运动物体中提取能量，确定这种运动或振动的参数会有很大帮助。设计VEPG所需的基本参数包括运动的频率和振幅。

　　在一些VEPG应用中，例如用以监测马拉松运动员各种参数的可穿戴式系统，需要同时驱动脉搏和温度传感器以及显示屏。普莱默集团已与马拉加大学联合开发出一种新型系统，不但可通过一系列传感器提取运动数据，同时可运行一些高级应用，通过对解释数据的正确判断增加发电量。

　　应用实例

　　将可穿戴式传感器系统装在自行车运动员不同体位(手腕、胸部、脚踝)上，在不同的骑行速度下，估计出自行车运动员的能量输出。图2显示了这种应用产生图形。借助这些传感器来评估能源输入，建立起发电量与心跳的关联。

　　

 

　　图2：彩色图形显示自行车运动员身体上不同传感器位置的能源发电量。

　　利用生成的数据，通过仿真工具在建立原型之前对要仿真的早期原型进行计算，如图3所示。这样可以在设计中进行必要的调整，在建立原型之前对VEPG进行优化。

　　

 

　　图3：从虚拟原型中获得的仿真数据。

　　建立原型后，可以使用功能测试系统重现器件正常工作环境的振动，真实运动参数就是在这种环境中应用于器件。所有参数都会产生振幅和频率的变化，产生的电压可以进行原位测试，并根据分配的功能传送至要驱动的系统。

　　基于此设计项目，可以生产出能够驱动典型心率监测器中传感器的器件，运动员经常用它们来监测活动水平。这些可穿戴式系统一般采用2032型电池供电，这种电池可提供测量数据并传送至类似手表显示屏所需的2mW功率。而通过运动员自身的运动， VEPG器件可产生同等水平的功率。

　　普莱默拥有超细线材产品制造的核心技术，原型采用该技术进行开发。小型VEPG器件采用20至60微米金属线，线圈匝数为5千至1万。根据不同的振动情况，这些器件可以产生2至10mW的功率，完全替代2016型和2032型电池。

　　VEPG器件也能很好的用于轮胎压力监测传感器等其他类型的应用上 。此外，能量传感器非常适用于远程访问无需维护的网络。这种网络还可通过专用网页实现远程基础设施监测，在物联网应用中大显身手。