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，传感器节点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。