宋 宇， 宋雋煒

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

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基于振動(dòng)能量收集的傳感器自供能技術(shù)研究

宋 宇， 宋雋煒

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

復(fù)合式能量收集技術(shù)是一種基于壓電和電磁的傳感器自供電技術(shù)。對(duì)復(fù)合式能量收集系統(tǒng)進(jìn)行分析，給出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，討論系統(tǒng)共振頻率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系；設(shè)計(jì)了一種壓電和電磁復(fù)合式能量收集裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：給出的數(shù)學(xué)模型基本反映了系統(tǒng)的輸出特性，在共振頻率為18 Hz時(shí)，與單一型電磁技術(shù)實(shí)驗(yàn)在共振頻率處得到的3.2 mW負(fù)載功率相比，復(fù)合式能量收集技術(shù)獲得的最大負(fù)載功率3.8 mW，增加了19 %。

環(huán)境振動(dòng)； 能量收集； 壓電能量轉(zhuǎn)換； 電磁能量轉(zhuǎn)換； 無線傳感器

0 引 言

隨著大規(guī)模高集成度電路的廣泛應(yīng)用，微電子系統(tǒng)的物理尺寸變得越來越小，系統(tǒng)功耗也得到了明顯的降低，使得低功耗器件的研究越來越熱,這些器件的驅(qū)動(dòng)能源通常是電池。但伴隨著器件數(shù)量的急劇增加和物理尺寸的減小，電池的更換隨之增加，甚至在某些條件下，無法完成電池的更換工作。工作在用電設(shè)備上面的傳感器由大容量的電池和大容量電容器進(jìn)行供電，這樣不僅使得對(duì)電子設(shè)備很難進(jìn)行很好的維護(hù)，而且也造成了環(huán)境污染[1]。因此，亟需一種可行的通過收集和轉(zhuǎn)換周圍環(huán)境振動(dòng)能量而實(shí)現(xiàn)對(duì)低功耗器件供能的方法[2～3]。振動(dòng)能量收集技術(shù)是目前正在研究的一種熱門方式，這種供電方式可以延長(zhǎng)低功耗設(shè)備的壽命，并可以不依賴電池或者線束對(duì)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)供電[4]。

單一的供電方式并不足以滿足電子產(chǎn)品的電力需求[5]。由于壓電材料的可用性強(qiáng)、性能好、可以提供更高的輸出電壓等優(yōu)點(diǎn)[6]，人們廣泛關(guān)注利用壓電效應(yīng)的能量收集技術(shù)。此外，由于電磁式能量收集具有設(shè)計(jì)方便、制作簡(jiǎn)單而且易于分析的特點(diǎn)[7]，使得電磁能量收集技術(shù)也得到進(jìn)一步發(fā)展。

很多文獻(xiàn)對(duì)使用不同的能量收集方法來提高振動(dòng)能量收集的效率進(jìn)行了報(bào)道[8,9]。Jiang S等人從改善能源效率的角度對(duì)壓電雙晶片的懸臂梁發(fā)起了一項(xiàng)研究[10]，通過在壓電懸臂梁的末端添加小質(zhì)量塊的方法來提高能量收集器的效率。中東技術(shù)大學(xué)研究人員致力于電磁微發(fā)電的原理研究和應(yīng)用于生產(chǎn)的能量收集器[11]。先前的壓電振動(dòng)能量收集研究大多集中在開發(fā)新產(chǎn)品和改進(jìn)壓電材料系統(tǒng)的能源收集效率，或集中研究在共振頻率狀態(tài)下可以調(diào)整收集結(jié)構(gòu)，以滿足環(huán)境振動(dòng)的要求[12]。

本文研究電磁與壓電復(fù)合式振動(dòng)能量收集的方式，對(duì)其進(jìn)行建模，并對(duì)模型進(jìn)行仿真研究，設(shè)計(jì)搭建了電磁與壓電振動(dòng)能量回收裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與單獨(dú)壓電或電磁能量收集結(jié)構(gòu)相比較，復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠輸出更多的能量。在共振頻率為18 Hz時(shí)，復(fù)合式能量收集裝置的最大負(fù)載功率為3.8 mW,相比于采用單一的電磁技術(shù)時(shí)的最大負(fù)載功率3.2 mW增加了19 %，能滿足間斷、脈沖式模式工作的負(fù)載，例如:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的故障監(jiān)測(cè)元件。

1 復(fù)合能量收集系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

基于振動(dòng)的復(fù)合能量收集裝置用如圖1所示。該裝置是由末端帶有質(zhì)量塊的壓電懸臂梁和一組線圈組成。永磁質(zhì)量塊用來激發(fā)振動(dòng)和調(diào)整共振頻率，同時(shí)為其下放置的線圈提供了變化的磁場(chǎng)。懸梁臂的振動(dòng)由外部振動(dòng)引起。永磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)在閉合的線圈中實(shí)現(xiàn)了電磁能量轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，壓電片受到應(yīng)力的作用產(chǎn)生電荷，整合這兩部分能量使得輸出的總能量增加。

圖1 壓電與電磁綜合發(fā)電裝置示意圖

1.2 復(fù)合式振動(dòng)能量收集系統(tǒng)模型

電磁—壓電混合式振動(dòng)能量收集裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型[2]描述為

(1)

2 復(fù)合式振動(dòng)能量收集系統(tǒng)共振頻率分析與仿真

2.1 壓電懸臂梁共振頻率的分析

為使輸出頻率達(dá)到最大，首要的是裝置的共振頻率必須與環(huán)境振動(dòng)頻率相一致,當(dāng)振動(dòng)頻率與共振頻率之間存在微小偏差時(shí)輸出功率減小。通常，共振頻率的計(jì)算公式為

(2)

式中 fr為共振頻率；ω為角頻率；K為懸臂梁的彈簧常數(shù)；me為懸臂梁的有效質(zhì)量。當(dāng)小質(zhì)量塊遠(yuǎn)小于懸臂梁的長(zhǎng)度時(shí)，將小型質(zhì)量塊當(dāng)做一個(gè)點(diǎn)質(zhì)量來計(jì)算,這種簡(jiǎn)化方法在某種程度上可以很有效地來進(jìn)行計(jì)算。為計(jì)算沒有質(zhì)量塊的懸臂梁的共振頻率，現(xiàn)在有兩種方法可供選擇。

按照折彎剛度EI可以用來計(jì)算沒有質(zhì)量塊的懸臂梁的共振頻率

(3)

或者彎曲模量(E0=EI/w)來計(jì)算沒有質(zhì)量塊的懸臂梁的共振頻率

(4)

式中 fn為諧振頻率；νn為特征值；l為懸臂梁的長(zhǎng)度；E為彈性模量；I為中性軸的慣性矩；m為懸臂梁的單位長(zhǎng)度質(zhì)量；w為懸臂梁的寬度。對(duì)于雙晶壓電片這種復(fù)合材料，E0為兩種材料的楊氏模量計(jì)算函數(shù)，EP(壓電陶瓷)和ES(黃銅)及其厚度tp和ts滿足如下關(guān)系

(5)

每一單位面積質(zhì)量m通過厚度和密度來計(jì)算，ρp和ρs為兩種材料的密度

m=2ρptp+ρsts.

(6)

在自由端有一個(gè)小型質(zhì)量塊的懸臂梁的共振頻率可以通過以下公式近似估計(jì)

(7)

(8)

然而，當(dāng)這個(gè)小型質(zhì)量塊是分布在一個(gè)區(qū)域內(nèi)而不是通過一個(gè)點(diǎn)來表示，它可以用質(zhì)量塊的中心為軸,以一個(gè)集中的點(diǎn)來看待。對(duì)于一個(gè)均勻密度的矩形分散的小質(zhì)量塊，對(duì)稱軸位于自由端，重心位于遠(yuǎn)離lm/2的位置。懸臂梁在這個(gè)位置的有效彈簧常數(shù)K′和有效彈簧常數(shù)K有關(guān)

(9)

用K′取代方程式(8)中的K，自由端帶有小質(zhì)量塊的懸臂梁的復(fù)合雙晶壓電片的共振頻率表示為[4]

(10)

Δm=ρmlmwmhm,

(11)

式中 ρm,lm,wm和hm分別為質(zhì)量塊的密度、長(zhǎng)度、寬度、高度。

使用上面的方程可以計(jì)算懸臂梁的共振頻率參數(shù)，通過改變懸臂梁上的小質(zhì)量塊的長(zhǎng)度和寬度可以來改變共振頻率。

2.2 壓電振動(dòng)能量復(fù)合收集系統(tǒng)仿真

利用Matlab軟件對(duì)壓電振動(dòng)能量復(fù)合收集系統(tǒng)模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，壓電懸臂梁共振頻率與懸臂梁的長(zhǎng)度、懸臂梁的寬度、質(zhì)量塊的長(zhǎng)度、質(zhì)量塊的高度以及壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 共振頻率與懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

從圖2可以證實(shí)，共振頻率隨著壓電陶瓷片的長(zhǎng)度和小質(zhì)量塊尺寸的增加而降低，隨著壓電陶瓷和金屬墊片的厚度的增加而增加，隨著懸臂梁的寬度的增加而升高，但隨著小質(zhì)量塊的增大其保持不變。

3 壓電振動(dòng)能量復(fù)合收集系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

3.1 壓電振動(dòng)能量復(fù)合收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

由仿真分析可以看出:收集裝置的共振頻率與懸梁臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)聯(lián)。通過改變壓電片和基片板的長(zhǎng)度、寬度、厚度等參數(shù)，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共振頻率。系統(tǒng)共振頻率設(shè)計(jì)為18Hz，結(jié)合仿真分析，最終確定了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，如表1所示。

表1 復(fù)合式能量收集裝置的參數(shù)

Tab 1 Parameters of composite energy collecting device

參數(shù)名稱數(shù)學(xué)符號(hào)數(shù)值參數(shù)名稱數(shù)學(xué)符號(hào)數(shù)值懸臂梁長(zhǎng)度(mm)l055質(zhì)量塊長(zhǎng)度(mm)lm18懸臂梁寬度(mm)w30.72質(zhì)量塊質(zhì)量(g)m34.85墊片厚度(mm)tsh0.08壓電層厚度(mm)tc0.31電極長(zhǎng)度(mm)le55壓電層個(gè)數(shù)n2線圈截面直徑(mm)D22銅絲直徑(mm)d0.5

3.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

計(jì)算機(jī)編程輸出正弦波送給SD1492功率放大器，功率放大以后送給SD1482激振器，通過它來模擬實(shí)際振動(dòng)。此時(shí),復(fù)合能量收集裝置開始工作，壓電和電磁的輸出給能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，數(shù)據(jù)采集卡采集相關(guān)的數(shù)據(jù)供分析。實(shí)驗(yàn)原理如圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1.2 能量收集存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

圖4所示的電路的基本原理是:壓電電磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過整流橋，將電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，再經(jīng)過實(shí)用的調(diào)壓芯片直接供給負(fù)載。采用型號(hào)為DF005S的整流橋，調(diào)壓芯片采用TI公司的TPS62200。

本文采用了兩個(gè)能量收集存儲(chǔ)電路，一個(gè)用于采集壓電的能量，一個(gè)用于采集電磁的能量，經(jīng)過調(diào)壓芯片分別處理后再存儲(chǔ)在一個(gè)超級(jí)電容器中。

圖4 能量收集存儲(chǔ)電路框圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

復(fù)合式能量收集裝置的最優(yōu)負(fù)載電阻是由內(nèi)部等效電路和轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)決定的，利用PSPICE仿真和實(shí)驗(yàn)方法確定最優(yōu)負(fù)載電阻值約為1.5 kΩ。從圖5(a)中看出:負(fù)載電壓始終隨著負(fù)載電阻的增大而上升。從圖5(b)可以看出:負(fù)載功率首先呈上升趨勢(shì)并在最佳負(fù)載電阻時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)負(fù)載電阻大于1.5 kΩ時(shí)負(fù)載功率隨之下降。在最優(yōu)負(fù)載電阻時(shí)的運(yùn)用數(shù)值仿真計(jì)算負(fù)載電壓與負(fù)載功率分別為2.6 V與4.48 mW，測(cè)量值則為2.4 V與3.8 mW，測(cè)量值與仿真值很接近。

圖5(c)顯示了最優(yōu)負(fù)載電阻時(shí)復(fù)合式和單一能量收集技術(shù)的最優(yōu)負(fù)載功率，與單一型電磁技術(shù)實(shí)驗(yàn)在共振頻率處得到的3.2 mW負(fù)載功率相比，復(fù)合式能量收集技術(shù)獲得的最大負(fù)載功率3.8 mW,增加了19 %。單一壓電工作模式下的最優(yōu)負(fù)載功率較低，其穩(wěn)定后值為0.75 mW。值得一提的是，壓電工作模式的充電時(shí)間為10 h左右，10 h后才有穩(wěn)定的輸出，而單一電磁工作模式達(dá)到穩(wěn)定輸出充電時(shí)間為0.75 h。另外，復(fù)合式能量收集裝置在外接負(fù)載的情況下，由于線圈電磁阻尼的存在使得振動(dòng)幅度略有下降，會(huì)帶來壓電電壓幅值的下降，從而功率也有一定的降低，故復(fù)合式能量收集裝置的最優(yōu)負(fù)載功率略低于單一電磁和壓電工作模式的功率之和。

4 結(jié) 論

壓電與電磁復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)整合了壓電和電磁能量收集技術(shù)，可以有效地提高能量收集密度。當(dāng)共振頻率達(dá)到18 Hz時(shí)，復(fù)合能量收集裝置達(dá)到最大負(fù)載功率3.8 mW, 相比于采用單一的電磁技術(shù)時(shí)的最大負(fù)載功率3.2 mW,功率增加了19 %。很多傳感器或IC在99 %的時(shí)間下都是處于睡眠模式，只需要很微弱的電流，所以，復(fù)合俘能器絕大部分時(shí)間都處在充電狀態(tài)，只需在發(fā)送信號(hào)時(shí)才工作。該應(yīng)用電路使用元器件少，成本低，體積少，如果使用貼片元件，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化。

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宋雋煒，通訊作者,E—mail：1290391324@qq.com。

Sensor self-powered technology research based on vibration energy harvesting

SONG Yu, SONG Juan-wei

(College of Computer Science and Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

Composite energy harvesting technique is a self-powered sensor technology based on piezoelectric and electromagnetic energy harvesting technology.Analyze composite energy harvesting system,put forward mathematical models and discuss relationship between resonance frequency of system and system configuration parameters;design a set of piezoelectric and electromagnetic energy harvesting device,and experimental verification is cavried out.Results show that the given math model is close agreement with output characteristics of system.Under the resonance frequency of 18 Hz,the maximum of load power of the composite harvester achieves 3.8 mW which is increased by 19 % compared with 3.2 mW of the single electromagnetic technique.

ambient vibration; energy harvesting; piezoelectric energy conversion; electromagnetic energy conversion; wireless sensor

2015—06—29

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0013—04

TM 919

A

1000—9787(2015)09—0013—04

宋 宇(1969-)，男，吉林省長(zhǎng)春人，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。