基于振动能量俘获的无线传感器自供能技术研究

倪爱斌，许来涛

（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）

无线传感器是获取监测信息最基本、最重要的一种技术，在各领域中已经被广泛应用，成为了各领域最重要的技术支持。但是在实际的应用中并没有达到想象中的效果，主要原因在于无线传感器技术的能量供应问题。但是无线传感器技术并没有像我们想象的那样迅速市场化，其中最主要的问题是传感器的能量供应问题，能量供应问题已成为无线传感器发展中的瓶颈。因此，针对无线传感器的问题，人们提出了自供能技术。

1 无线传感器

随着科技的不断进步与发展，信息技术在各领域的应用都非常广泛，在发展的过程中，使得各领域的系统电源电路、传送线路中使用的无线IC、控制器以及传感器等器件的能量消耗巨大，需要引进和研究新的技术以解决目前能量消耗的现状。基于这些问题，使用振动能量俘获技术，对无线传感器的能量自供技术进行研究。通过对振动能量的收集，对无线传感器网络的节点进行设计，俘能器是整个无线传感器网络节点中的重要组成部分，可以为系统中的其它部件提供能量的需求。

2 自供能技术

自供能技术是一种通过收集周围环境中的能量而形成的一种技术，比如振动能量、风能、生能、热能以及电磁能，将这些能量转化为电能，为无线传感器以及其它的电子设备提供可靠、安全、稳定以及没有寿命限制的电能供应技术。按照自供能技术的方式，将传感器分为两种：有线传感器和无线传感器。有线传感器主要采用的是电池供电的方式，传播的距离非常远，操作方便，处理灵活，在市场上已经被广泛应用。但是有线传感器使用电池供电有一定的局限性，因为电池的寿命是有限的，需要进行定期的更换。电池的最大能量密度为3.78kJ/cm3，如果一个微功率电子器件的功率是1MW，工作10年就需要100cm³的电池进行供电，使得器件的体积增加，电池输出功率不稳定。时间越久，输出的功率和电压就会越慢，对于一些特殊的器件损害将非常大。

无线传感器的能量自供是我们需要重点研究的技术。在进行能量收集时，与机械振动能相比，太阳能、风能等能量受外界天气的影响较大，在晴天太阳能的功率密度可以达到15000，阴天太阳能的功率密度只有150，晴天和阴天太阳能的差距达100倍之多，而风能的区域性特点又比较明显。因此，在能量自供方面，机械振动能的回收再利用成为了研究的重点。振动能量在社会中的应用也比较广泛，主要应用在工业领域中，比如机械、汽车、电子、航空航天等，振动中所使用的高能量成为了焦点，这些振动能量的存在，有时候是有害的，比如管道的振动会降低管道的使用寿命、飞机的机翼振动会增加空难机率等，这些振动能量的合理利用成为了专家们研究的重点内容。根据这些能量的产生特点以及供应方式，振动能的利用性最大，将振动能转化为电能，为无线传感器的供电提供解决的方法，大大拓宽了无线传感器的应用领域。

3 振动俘获技术

俘能器的结构：环境能量转换的俘能器主要由电压层、主结构、永磁铁以及线圈所组成。

根据俘能器的机理，可以分为压电式俘能器、电磁式浮能器和静电式俘能器，其中电压式俘能器与电磁式俘能器的结构简单，机电耦合的系数比较大，不需要接通电源就可以使用，这些优点，使这两种俘能器备受社会各界的关注。俘能器的最大输出电压与功率：在0.57g（g=9.8m/s2）的加速度下，最大输出电压为68.2mV，功率为115.1µW；在单悬臂梁压电的基础上，设计了多悬臂梁压俘能器，并得出最大的输出功率；由于压电式与电磁式的俘能器不能同时输出大电流，为了达到更好的效果，研究人员提出了压电-电磁复合式的俘能器，以达到最大输出功率的效果，并将其应用在无线传感器网络中，代替现有的电池供电的方式。

结构设计原理：磁铁作为整个质量块的中心，主要通过梁结构进行支撑，在外界的作用下，磁铁的振动使得梁结构发生了变化，主要通过线圈的方式使磁通量发生改变，并根据压电效应与电磁感应，使得PZT层与线圈产生了电压信号。

俘能器解析表达式：当z(t)为磁铁，u为输出电压，Ic为输出电流，其表达式为：

上述表达式中a（t）为加速度，m为等效质量，K为等效刚度，C为机械速度，θ、gc为压电俘能与电磁俘能的传递因子，R1、R2为压电与电磁单元的外接载力，CP为压电的等效电容，Rc、Lc线圈的电阻和电容。

（3）质量块最大振幅：

4 能量收集设计

（1）电路设计。俘能器输出的能量在使用的过程中不能被微器件直接使用，因此，设计了压电俘能器能量收集电路，将俘获器中的交流电转化为直流电，用于能量的储存。压电俘能器具有电压大、电流小的特点，设计压电俘能收集电路，主要采用LTC3588芯片，进行能量的收集，提高能量的转换效率。LTC3588芯片可以对压电俘能单元的输出端进行直接连接，运用spice软件对电路进行参数设计，如表1所示。

表1 压电俘能收集电路参数表

采用LTC3108芯片对收集电路的转换效率进行参数的设计，LTC3108是AC/DC转换器，可以在小于20mV输入电压的环境下进行工作，交流电压可以通过一个外接的变压器和耦合电容进行扩大，接入芯片的内部，通过输出端得到不同的电压参数，运用spice软件得出以下参数，如表2所示。

表2 电磁俘能收集电路参数表

（2）电路测试。通过设计的压电-电磁复合式俘能器，进行能量收集，并进行收集电路的设计，设计完成后对电路进行最后的测试，压电式俘能器的收集电路P1端和P2端，采用a=0，b=1，c=3.3V通道；在0.6g的速度下，在俘能器的最佳负载和谐振频率下进行工作测试，并对超级电容进行充电，每隔10min记录1次电压值，对俘能器的充电线路进行测试，得出复合式俘能器的俘能效率优于其他两种方式的结论。

5 利用振动俘获器进行无线传感器能量自供的应用价值

目前国内外对于无线传感器的主要能量来源还是来自于电池供电的方式，无法获得长久的电池寿命，采用电池供电，如果想要使电池的寿命更长一些，需要对系统减小使用功率，或者是采取其他的方式进行省电模式，这些都会阻碍传感器的使用，有一定的局限性，不能从根本上解决传感器节点的能量供应问题。如果利用能量收集的方式或者能量挖掘的技术，使无线传感的节点在能量消耗时进行能量递减，利用能量管理与能量转移的技术，使无线传感器的节点达到永久的使用寿命，使得无线传感网络能够无限循环的使用，这才是从根本上解决了无线传感节点的能量供给问题。

6 结语

通过上述文章的分析，得出使用俘能器技术将环境中的振动能量进行收集整理，并对振动能量进行电路的设计，实现无线传感器自动供能的功能。采用压电-电磁复合式俘能器，得出机电耦合状态下的输出功率表达式，对俘能器的结构原理进行了详细的分析。俘能器通过压电材料以及电磁感应将两种材料转换为能量，为无线传感器提供电能，代替电池供电，不仅能够解决电池供电困难的问题，而且在无线传感器的应用领域方面也有非常重要的作用。