振動發電機測試平臺設計

2020-11-25 電子發燒友

振動發電機測試平臺設計

葉子 發表於 2011-08-09 17:52:24

 

　　傳感器網絡近來已延伸至各種環境及工業數據採集應用中，例如，溫度、溼度、加速度、壓力和其他相關工藝信息的採集。傳感器節點將數據記錄傳送給中央單元進行控制操作，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狗，新一代微控制器能夠實現僅幾微安的功耗。低功耗的感應器件經常應用到基礎設施(例如橋梁)、機械(例如電梯、馬達、汽車部件)中，甚至可以穿戴在人體(例如病人、運動員)上，在這類應用中，這些感應器件可以採集振動能量。自然運動或傳輸振動所產生的機械能轉換成電能。這種電能足以驅動傳感器節點，如果以電池作為主電源，則至少有助於延長電池續航能力。

　　通過振動能量供電的能量採集器採用永磁材料與繞組來獲取能量，這就是通常所說的振動式發電機(VEPG)。普萊默集團(Premo Group)正在開發微型VEPG，用來替代傳感器網絡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TPMS等應用。這些微型VEPG能夠產生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使金屬線中產生電磁力。磁通量變化是由於金屬圈中不斷變化的通量密度或金屬圈的運動引起的。因此金屬圈的運動或振動會使金屬圈終端產生電壓，該電壓與金屬圈的截面積、引起通量變化的這種運動的相對運動和速度成正比。如果我們使用線圈的話，感應電壓還與線圈匝數成正比。

　　永磁一般產生對稱磁場，所產生的電磁力完全取決於磁通量密度的軸向分量(Bz)和徑向分量(Br)，而與切向分量(BF)無關。由於感應電壓與軸向磁場和徑向磁場成正比，線圈與永磁的相對速度、其截面和線圈匝數都可以確定發電量。

　　普萊默集團聯合馬拉加大學、西班牙電子技術部和巴塞隆納(加泰隆尼亞理工大學CEIB組)的研究團隊，共同開發設計VEPG系統的完整工具。這種工具將包含一個捕獲運動和振動信息的完整的系統、用於處理數據的軟體應用以及用於製造原型採用有限單元的VEPG仿真工具。此外，他們還開發出一個功能測試系統(圖1)，用來重現微型發電機通常工作的各種振動環境。

　　

 

　　圖1：用馬達重現各種振動環境。VEPG被測器件(模糊)裝在一個運動的凸輪的頂端上。

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

　　在一些VEPG應用中，例如用以監測馬拉松運動員各種參數的可穿戴式系統，需要同時驅動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聯合開發出一種新型系統，不但可通過一系列傳感器提取運動數據，同時可運行一些高級應用，通過對解釋數據的正確判斷增加發電量。

　　應用實例

　　將可穿戴式傳感器系統裝在自行車運動員不同體位(手腕、胸部、腳踝)上，在不同的騎行速度下，估計出自行車運動員的能量輸出。圖2顯示了這種應用產生圖形。藉助這些傳感器來評估能源輸入，建立起發電量與心跳的關聯。

　　

 

　　圖2：彩色圖形顯示自行車運動員身體上不同傳感器位置的能源發電量。

　　利用生成的數據，通過仿真工具在建立原型之前對要仿真的早期原型進行計算，如圖3所示。這樣可以在設計中進行必要的調整，在建立原型之前對VEPG進行優化。

　　

 

　　圖3：從虛擬原型中獲得的仿真數據。

　　建立原型後，可以使用功能測試系統重現器件正常工作環境的振動，真實運動參數就是在這種環境中應用於器件。所有參數都會產生振幅和頻率的變化，產生的電壓可以進行原位測試，並根據分配的功能傳送至要驅動的系統。

　　基於此設計項目，可以生產出能夠驅動典型心率監測器中傳感器的器件，運動員經常用它們來監測活動水平。這些可穿戴式系統一般採用2032型電池供電，這種電池可提供測量數據並傳送至類似手錶顯示屏所需的2mW功率。而通過運動員自身的運動， VEPG器件可產生同等水平的功率。

　　普萊默擁有超細線材產品製造的核心技術，原型採用該技術進行開發。小型VEPG器件採用20至60微米金屬線，線圈匝數為5千至1萬。根據不同的振動情況，這些器件可以產生2至10mW的功率，完全替代2016型和2032型電池。

　　VEPG器件也能很好的用於輪胎壓力監測傳感器等其他類型的應用上 。此外，能量傳感器非常適用於遠程訪問無需維護的網絡。這種網絡還可通過專用網頁實現遠程基礎設施監測，在物聯網應用中大顯身手。

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