賀學(xué)鋒　齊?！〕桃珣c　張闖　尚正國(guó)　楊曉康

摘要：針對(duì)氣象觀測(cè)、煤礦/隧道/通風(fēng)管道運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)等的需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)由帶諧振腔的風(fēng)能采集器供電的無線風(fēng)速傳感器，該無線傳感器包括兩個(gè)帶諧振腔的風(fēng)能采集器，其中一個(gè)用于風(fēng)能采集，另一個(gè)用于風(fēng)速測(cè)量。當(dāng)風(fēng)速在特定區(qū)間變化時(shí)，采集器將發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。由于采集器的振動(dòng)頻率隨風(fēng)速單調(diào)遞減，因此在建立采集器振動(dòng)頻率與風(fēng)速的關(guān)系后，通過測(cè)量振動(dòng)頻率就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自供能無線風(fēng)速傳感器在8.5～12.1 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)可以正常工作，靈敏度為1.45 Hz·s/m，當(dāng)風(fēng)速為12.1 m/s時(shí)，自供能無線風(fēng)速傳感器每隔30 s可以測(cè)量并發(fā)送一次風(fēng)速信息，基本可以滿足通風(fēng)管道運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)致振動(dòng)；能量采集；無線傳感；自供能；風(fēng)速計(jì)

引言

傳統(tǒng)電池具有尺寸大、需定時(shí)更換或充電、對(duì)使用環(huán)境要求高且污染環(huán)境等缺點(diǎn)，難以滿足長(zhǎng)壽命無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等對(duì)電源的要求。將環(huán)境中的太陽能、振動(dòng)能、流體動(dòng)能等轉(zhuǎn)換為電能的微型能量采集器是解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的一種理想方案。由于風(fēng)能在自然界中廣泛存在，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的微小型能量采集器已成為微能源研究的重要方向之一。同包含轉(zhuǎn)動(dòng)部件的微型風(fēng)能采集器相比，基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器具有可微型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。風(fēng)致振動(dòng)能量采集器首先利用風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象將環(huán)境中的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能，進(jìn)一步利用壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)等原理將微結(jié)構(gòu)振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，其中壓電式風(fēng)能采集器具有能量密度高、可采用微加工工藝微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前微型風(fēng)致振動(dòng)能量采集器研究的熱點(diǎn)。

風(fēng)速傳感器被廣泛應(yīng)用于氣象觀測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林防火預(yù)警、煤礦/隧道運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，常規(guī)的熱線式風(fēng)速傳感器功耗大，不太適合于作為自供能無線風(fēng)速傳感器，非熱式風(fēng)速傳感器通過測(cè)量靜態(tài)變形、振動(dòng)幅值或頻率等信息來測(cè)量風(fēng)速，具有功耗小的優(yōu)點(diǎn)，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)風(fēng)速傳感器的要求，是近幾年風(fēng)速傳感器研究的熱點(diǎn)之一。利用壓阻效應(yīng)測(cè)量靜風(fēng)載荷引起的硅懸臂梁變形，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的檢測(cè)。在周邊固支的圓形壓電復(fù)合薄膜中問制作一根與薄膜垂直的懸臂梁，作用在懸臂梁上的靜風(fēng)載荷使圓形薄膜變形，改變其剛度，進(jìn)而引起其固有頻率的變化，因此采用阻抗分析儀測(cè)量圓形膜片的固有頻率變化就可以得到風(fēng)速，該風(fēng)速傳感器加工工藝比較復(fù)雜，靈敏度不高。利用風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，通過測(cè)量硅懸臂梁中壓電層交變電壓的幅值也可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量，但由于電壓波動(dòng)比較大，因此該風(fēng)速傳感器的分辨力不高。硅懸臂梁在風(fēng)載荷作用下產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)時(shí)，利用示波器的快速傅里葉變換（FFT）功能得到懸臂梁內(nèi)壓電層電壓的變化頻率（即懸臂梁的風(fēng)致振動(dòng)頻率），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量，但由于該傳感器在風(fēng)載荷的作用下未實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的風(fēng)致振動(dòng)，因此在采用FFT得到風(fēng)致振動(dòng)的頻率時(shí)噪聲較大，傳感器的分辨力不高。

受口琴結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本文設(shè)計(jì)了帶諧振腔的壓電式風(fēng)致振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)速變化引起結(jié)構(gòu)固有頻率的變化，因此該采集器同時(shí)具有測(cè)量風(fēng)速的功能。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的無線風(fēng)速傳感器主要包括兩個(gè)壓電式風(fēng)能采集器，其中一個(gè)用于采集環(huán)境中的風(fēng)能，另一個(gè)用于測(cè)量風(fēng)速。