可穿戴導(dǎo)盲器中自供電電源的關(guān)鍵技術(shù)研究

薛 蕊，曾實(shí)現(xiàn)，和雷濤

（青島黃海學(xué)院 智能制造學(xué)院，山東 青島 266427）

0 引 言

隨著可穿戴式和可持續(xù)電氣設(shè)備變得越來越流行，自供電現(xiàn)象的產(chǎn)生吸引了更多關(guān)注[1]。然而，現(xiàn)階段可穿戴設(shè)備的電源通常由電池驅(qū)動(dòng)，外帶電池發(fā)出電力的大小和頻繁的充電操作制約了其向前發(fā)展的步伐[2-4]。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種可穿戴式微功耗的智能導(dǎo)盲鞋系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自供電的形式工作。在這項(xiàng)研究中，開發(fā)了大功率壓電振動(dòng)能量采集器（Piezoelectric Vibration Energy Harvester，PVEH），其產(chǎn)生的電力足以在導(dǎo)盲鞋行走期間通過人體重量對(duì)鞋底的沖擊力操作無線模塊和鞋墊傳感器，并測(cè)試傳輸傳感數(shù)據(jù)。系統(tǒng)開發(fā)后不但能準(zhǔn)確檢測(cè)道路障礙物及具備導(dǎo)航定位能力，基本解決了盲人自主出行的問題[5,6]，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)煩瑣的供電形式，真正實(shí)現(xiàn)了自供電，增加了該系統(tǒng)的便利性[7,8]。

1 薄膜式振動(dòng)功率器的設(shè)計(jì)和分析

1.1 壓電振動(dòng)功率器的制作

利用壓電厚膜的生長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行制作壓電振動(dòng)能量采集器，是一種通過在不銹鋼基板上絲網(wǎng)印刷形成壓電薄膜的革命性技術(shù)[8]。在100 μm厚的不銹鋼兩側(cè)制成厚度為40 μm的壓電薄膜，如圖1所示。通過測(cè)量，壓電殘余應(yīng)力超過500 MPa的壓電厚膜經(jīng)過燒結(jié)后大大提高了其斷裂強(qiáng)度。通過實(shí)驗(yàn)輸出光譜，其振動(dòng)加速度為0.98 m/s2、負(fù)載電阻為197.8 kΩ時(shí)，共振頻率為59.3 Hz，最大輸出功率光譜為180 μm，如圖2所示。

圖1 PVEH的示意圖

圖2 不同品質(zhì)因數(shù)Q下對(duì)應(yīng)輸出的功率光譜

1.2 等效電路模型的設(shè)計(jì)方法

通過集總參數(shù)模型和壓電本構(gòu)方程對(duì)PVEH結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其等效電路理論模型如圖3所示。

圖3 懸臂式振動(dòng)能量采集器等效電路

等效的電路模型中包括機(jī)械系統(tǒng)模型和電氣系統(tǒng)模型，以及連接這兩個(gè)系統(tǒng)的變壓器。機(jī)械系統(tǒng)由帶有壓電薄膜的金屬懸臂梁組成，而電氣系統(tǒng)由電極電容組成。在正弦激勵(lì)的情況下，計(jì)算輸出功率Pout：

式中，K是變壓器的匝數(shù)比；U是壓電懸臂梁的開路電壓；X是壓力電抗；C是夾在PZT中間的電極的電容；M是頂端質(zhì)量；k是梯形懸臂的曲度系數(shù)；Q是機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，相關(guān)公式如下：

式中，Yp和Ys分別是壓電薄膜和基板的楊氏模量；hp和hs分別是薄膜和基板高度；ε33為介電常數(shù)矩陣。為了準(zhǔn)確測(cè)試PVEH的實(shí)驗(yàn)值，利用機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算Pout得出理論光譜。可以發(fā)現(xiàn)Q=86時(shí)，光譜曲線是最佳理論曲線。利用提取的參數(shù)，再通過理論計(jì)算就可以精確地輸出光譜。

2 PVEH的估算和特征分析

為了能夠準(zhǔn)確地估算在跑步過程中PVEH的發(fā)電功率，在導(dǎo)盲鞋的鞋底上安裝了加速度傳感器，并且測(cè)量了振動(dòng)加速度，選取了幾名測(cè)試者進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)鞋子落在路面上時(shí)，加速度最大值約為300 m/s2，如圖4所示。

圖4 振動(dòng)加速度器輸出波形圖

在脈沖激勵(lì)下，對(duì)固定在振動(dòng)器上的PVEH的輸出特性進(jìn)行測(cè)量，得到加速度的最大值約為300 m/s2。在圖5中，可以看到電壓最大值約為±50 V，當(dāng)鞋子落在地面上時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻尼沖擊。根據(jù)測(cè)量的電壓和負(fù)載電阻，估計(jì)每一步的交流發(fā)電量為360～1 200 J，但在很大程度上取決于測(cè)試者。

圖5 負(fù)載電阻上輸出電壓隨時(shí)間變化的波形圖

3 結(jié) 論

在該項(xiàng)目的研究過程中，將日常所穿的鞋子作為智能導(dǎo)盲系統(tǒng)的裝載設(shè)備，已經(jīng)開發(fā)出了在行走和跑步時(shí)由鞋底沖動(dòng)力產(chǎn)生的PVEH，每一只鞋中包含一個(gè)PVEH，帶有電源電路、控制器以及藍(lán)牙模塊。當(dāng)測(cè)試者在穿鞋或?qū)嶋H行走時(shí)能夠頻繁地通過藍(lán)牙模塊傳輸感測(cè)數(shù)據(jù)。目前，這種技術(shù)在姿勢(shì)識(shí)別、語音反饋系統(tǒng)及足部壓力光學(xué)指示器等方向得到廣泛應(yīng)用。