基于振動能量俘獲的無線傳感器自供能技術研究

倪愛斌，許來濤

（嘉興職業技術學院，浙江 嘉興 314036）

無線傳感器是獲取監測信息最基本、最重要的一種技術，在各領域中已經被廣泛應用，成為了各領域最重要的技術支持。但是在實際的應用中并沒有達到想象中的效果，主要原因在于無線傳感器技術的能量供應問題。但是無線傳感器技術并沒有像我們想象的那樣迅速市場化，其中最主要的問題是傳感器的能量供應問題，能量供應問題已成為無線傳感器發展中的瓶頸。因此，針對無線傳感器的問題，人們提出了自供能技術。

1 無線傳感器

隨著科技的不斷進步與發展，信息技術在各領域的應用都非常廣泛，在發展的過程中，使得各領域的系統電源電路、傳送線路中使用的無線IC、控制器以及傳感器等器件的能量消耗巨大，需要引進和研究新的技術以解決目前能量消耗的現狀。基于這些問題，使用振動能量俘獲技術，對無線傳感器的能量自供技術進行研究。通過對振動能量的收集，對無線傳感器網絡的節點進行設計，俘能器是整個無線傳感器網絡節點中的重要組成部分，可以為系統中的其它部件提供能量的需求。

2 自供能技術

自供能技術是一種通過收集周圍環境中的能量而形成的一種技術，比如振動能量、風能、生能、熱能以及電磁能，將這些能量轉化為電能，為無線傳感器以及其它的電子設備提供可靠、安全、穩定以及沒有壽命限制的電能供應技術。按照自供能技術的方式，將傳感器分為兩種：有線傳感器和無線傳感器。有線傳感器主要采用的是電池供電的方式，傳播的距離非常遠，操作方便，處理靈活，在市場上已經被廣泛應用。但是有線傳感器使用電池供電有一定的局限性，因為電池的壽命是有限的，需要進行定期的更換。電池的最大能量密度為3.78kJ/cm3，如果一個微功率電子器件的功率是1MW，工作10年就需要100cm3的電池進行供電，使得器件的體積增加，電池輸出功率不穩定。時間越久，輸出的功率和電壓就會越慢，對于一些特殊的器件損害將非常大。

無線傳感器的能量自供是我們需要重點研究的技術。在進行能量收集時，與機械振動能相比，太陽能、風能等能量受外界天氣的影響較大，在晴天太陽能的功率密度可以達到15000，陰天太陽能的功率密度只有150，晴天和陰天太陽能的差距達100倍之多，而風能的區域性特點又比較明顯。因此，在能量自供方面，機械振動能的回收再利用成為了研究的重點。振動能量在社會中的應用也比較廣泛，主要應用在工業領域中，比如機械、汽車、電子、航空航天等，振動中所使用的高能量成為了焦點，這些振動能量的存在，有時候是有害的，比如管道的振動會降低管道的使用壽命、飛機的機翼振動會增加空難機率等，這些振動能量的合理利用成為了專家們研究的重點內容。根據這些能量的產生特點以及供應方式，振動能的利用性最大，將振動能轉化為電能，為無線傳感器的供電提供解決的方法，大大拓寬了無線傳感器的應用領域。

3 振動俘獲技術

俘能器的結構：環境能量轉換的俘能器主要由電壓層、主結構、永磁鐵以及線圈所組成。

根據俘能器的機理，可以分為壓電式俘能器、電磁式浮能器和靜電式俘能器，其中電壓式俘能器與電磁式俘能器的結構簡單，機電耦合的系數比較大，不需要接通電源就可以使用，這些優點，使這兩種俘能器備受社會各界的關注。俘能器的最大輸出電壓與功率：在0.57g（g=9.8m/s2）的加速度下，最大輸出電壓為68.2mV，功率為115.1μW；在單懸臂梁壓電的基礎上，設計了多懸臂梁壓俘能器，并得出最大的輸出功率；由于壓電式與電磁式的俘能器不能同時輸出大電流，為了達到更好的效果，研究人員提出了壓電-電磁復合式的俘能器，以達到最大輸出功率的效果，并將其應用在無線傳感器網絡中，代替現有的電池供電的方式。

結構設計原理：磁鐵作為整個質量塊的中心，主要通過梁結構進行支撐，在外界的作用下，磁鐵的振動使得梁結構發生了變化，主要通過線圈的方式使磁通量發生改變，并根據壓電效應與電磁感應，使得PZT層與線圈產生了電壓信號。

俘能器解析表達式：當z(t)為磁鐵，u為輸出電壓，Ic為輸出電流，其表達式為：

上述表達式中a（t）為加速度，m為等效質量，K為等效剛度，C為機械速度，θ、gc為壓電俘能與電磁俘能的傳遞因子，R1、R2為壓電與電磁單元的外接載力，CP為壓電的等效電容，Rc、Lc線圈的電阻和電容。

（3）質量塊最大振幅：

4 能量收集設計

（1）電路設計。俘能器輸出的能量在使用的過程中不能被微器件直接使用，因此，設計了壓電俘能器能量收集電路，將俘獲器中的交流電轉化為直流電，用于能量的儲存。壓電俘能器具有電壓大、電流小的特點，設計壓電俘能收集電路，主要采用LTC3588芯片，進行能量的收集，提高能量的轉換效率。LTC3588芯片可以對壓電俘能單元的輸出端進行直接連接，運用spice軟件對電路進行參數設計，如表1所示。

表1 壓電俘能收集電路參數表

采用LTC3108芯片對收集電路的轉換效率進行參數的設計，LTC3108是AC/DC轉換器，可以在小于20mV輸入電壓的環境下進行工作，交流電壓可以通過一個外接的變壓器和耦合電容進行擴大，接入芯片的內部，通過輸出端得到不同的電壓參數，運用spice軟件得出以下參數，如表2所示。

表2 電磁俘能收集電路參數表

（2）電路測試。通過設計的壓電-電磁復合式俘能器，進行能量收集，并進行收集電路的設計，設計完成后對電路進行最后的測試，壓電式俘能器的收集電路P1端和P2端，采用a=0，b=1，c=3.3V通道；在0.6g的速度下，在俘能器的最佳負載和諧振頻率下進行工作測試，并對超級電容進行充電，每隔10min記錄1次電壓值，對俘能器的充電線路進行測試，得出復合式俘能器的俘能效率優于其他兩種方式的結論。

5 利用振動俘獲器進行無線傳感器能量自供的應用價值

目前國內外對于無線傳感器的主要能量來源還是來自于電池供電的方式，無法獲得長久的電池壽命，采用電池供電，如果想要使電池的壽命更長一些，需要對系統減小使用功率，或者是采取其他的方式進行省電模式，這些都會阻礙傳感器的使用，有一定的局限性，不能從根本上解決傳感器節點的能量供應問題。如果利用能量收集的方式或者能量挖掘的技術，使無線傳感的節點在能量消耗時進行能量遞減，利用能量管理與能量轉移的技術，使無線傳感器的節點達到永久的使用壽命，使得無線傳感網絡能夠無限循環的使用，這才是從根本上解決了無線傳感節點的能量供給問題。

6 結語

通過上述文章的分析，得出使用俘能器技術將環境中的振動能量進行收集整理，并對振動能量進行電路的設計，實現無線傳感器自動供能的功能。采用壓電-電磁復合式俘能器，得出機電耦合狀態下的輸出功率表達式，對俘能器的結構原理進行了詳細的分析。俘能器通過壓電材料以及電磁感應將兩種材料轉換為能量，為無線傳感器提供電能，代替電池供電，不僅能夠解決電池供電困難的問題，而且在無線傳感器的應用領域方面也有非常重要的作用。