振動(dòng)發(fā)電機測試平臺設計

傳感器網(wǎng)絡(luò )近來(lái)已延伸至各種環(huán)境及工業(yè)數據采集應用中，傳感器節點(diǎn)常用在不易接近和維護成本較高的地方。

　　依靠部分電路激活或看門(mén)狗，新一代微控制器能夠實(shí)現僅幾微安的功耗。低功耗的感應器件經(jīng)常應用到基礎設施(例如橋梁)、機械(例如電梯、馬達、汽車(chē)部件)中，甚至可以穿戴在人體(例如病人、運動(dòng)員)上，在這類(lèi)應用中，這些感應器件可以采集振動(dòng)能量。自然運動(dòng)或傳輸振動(dòng)所產(chǎn)生的機械能轉換成電能。這種電能足以驅動(dòng)傳感器節點(diǎn)，如果以電池作為主電源，則至少有助于延長(cháng)電池續航能力。

　　通過(guò)振動(dòng)能量供電的能量采集器采用永磁材料與繞組來(lái)獲取能量，這就是通常所說(shuō)的振動(dòng)式發(fā)電機(VEPG)。普萊默集團(Premo Group)正在開(kāi)發(fā)微型VEPG，用來(lái)替代傳感器網(wǎng)絡(luò )應用以及低功耗微控制器中的電池在諸如穿戴式心跳監測系統或汽車(chē)TPMS等應用。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)。

　　根據電磁定律，金屬圈中磁通量變化會(huì )使金屬線(xiàn)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(dòng)引起的。因此金屬圈的運動(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動(dòng)的相對運動(dòng)和速度成正比。如果我們使用線(xiàn)圈的話(huà)，感應電壓還與線(xiàn)圈匝數成正比。

　　永磁一般產(chǎn)生對稱(chēng)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(wú)關(guān)。由于感應電壓與軸向磁場(chǎng)和徑向磁場(chǎng)成正比，線(xiàn)圈與永磁的相對速度、其截面和線(xiàn)圈匝數都可以確定發(fā)電量。

　　普萊默集團聯(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)的研究團隊，共同開(kāi)發(fā)設計VEPG系統的完整工具。這種工具將包含一個(gè)捕獲運動(dòng)和振動(dòng)信息的完整的系統、用于處理數據的軟件應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(kāi)發(fā)出一個(gè)功能測試系統(圖1)，用來(lái)重現微型發(fā)電機通常工作的各種振動(dòng)環(huán)境。

　　圖1：用馬達重現各種振動(dòng)環(huán)境。VEPG被測器件(模糊)裝在一個(gè)運動(dòng)的凸輪的頂端上。

　　要從振動(dòng)系統或運動(dòng)物體中提取能量，確定這種運動(dòng)或振動(dòng)的參數會(huì )有很大幫助。設計VEPG所需的基本參數包括運動(dòng)的頻率和振幅。

　　在一些VEPG應用中，例如用以監測馬拉松運動(dòng)員各種參數的可穿戴式系統，需要同時(shí)驅動(dòng)脈搏和溫度傳感器以及顯示屏。普萊默集團已與馬拉加大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一種新型系統，不但可通過(guò)一系列傳感器提取運動(dòng)數據，同時(shí)可運行一些高級應用，通過(guò)對解釋數據的正確判斷增加發(fā)電量。