可穿戴导盲器中自供电电源的关键技术研究

薛 蕊，曾实现，和雷涛

（青岛黄海学院 智能制造学院，山东 青岛 266427）

0 引 言

随着可穿戴式和可持续电气设备变得越来越流行，自供电现象的产生吸引了更多关注[1]。然而，现阶段可穿戴设备的电源通常由电池驱动，外带电池发出电力的大小和频繁的充电操作制约了其向前发展的步伐[2-4]。为了解决现有技术的不足，提出了一种可穿戴式微功耗的智能导盲鞋系统，该系统采用自供电的形式工作。在这项研究中，开发了大功率压电振动能量采集器（Piezoelectric Vibration Energy Harvester，PVEH），其产生的电力足以在导盲鞋行走期间通过人体重量对鞋底的冲击力操作无线模块和鞋垫传感器，并测试传输传感数据。系统开发后不但能准确检测道路障碍物及具备导航定位能力，基本解决了盲人自主出行的问题[5,6]，还简化了系统烦琐的供电形式，真正实现了自供电，增加了该系统的便利性[7,8]。

1 薄膜式振动功率器的设计和分析

1.1 压电振动功率器的制作

利用压电厚膜的生长技术进行制作压电振动能量采集器，是一种通过在不锈钢基板上丝网印刷形成压电薄膜的革命性技术[8]。在100 μm厚的不锈钢两侧制成厚度为40 μm的压电薄膜，如图1所示。通过测量，压电残余应力超过500 MPa的压电厚膜经过烧结后大大提高了其断裂强度。通过实验输出光谱，其振动加速度为0.98 m/s2、负载电阻为197.8 kΩ时，共振频率为59.3 Hz，最大输出功率光谱为180 μm，如图2所示。

图1 PVEH的示意图

图2 不同品质因数Q下对应输出的功率光谱

1.2 等效电路模型的设计方法

通过集总参数模型和压电本构方程对PVEH结构进行优化，其等效电路理论模型如图3所示。

图3 悬臂式振动能量采集器等效电路

等效的电路模型中包括机械系统模型和电气系统模型，以及连接这两个系统的变压器。机械系统由带有压电薄膜的金属悬臂梁组成，而电气系统由电极电容组成。在正弦激励的情况下，计算输出功率Pout：

式中，K是变压器的匝数比；U是压电悬臂梁的开路电压；X是压力电抗；C是夹在PZT中间的电极的电容；M是顶端质量；k是梯形悬臂的曲度系数；Q是机械品质因数，相关公式如下：

式中，Yp和Ys分别是压电薄膜和基板的杨氏模量；hp和hs分别是薄膜和基板高度；ε33为介电常数矩阵。为了准确测试PVEH的实验值，利用机械品质因数Q计算Pout得出理论光谱。可以发现Q=86时，光谱曲线是最佳理论曲线。利用提取的参数，再通过理论计算就可以精确地输出光谱。

2 PVEH的估算和特征分析

为了能够准确地估算在跑步过程中PVEH的发电功率，在导盲鞋的鞋底上安装了加速度传感器，并且测量了振动加速度，选取了几名测试者进行测试，当鞋子落在路面上时，加速度最大值约为300 m/s2，如图4所示。

图4 振动加速度器输出波形图

在脉冲激励下，对固定在振动器上的PVEH的输出特性进行测量，得到加速度的最大值约为300 m/s2。在图5中，可以看到电压最大值约为±50 V，当鞋子落在地面上时会产生阻尼冲击。根据测量的电压和负载电阻，估计每一步的交流发电量为360～1 200 J，但在很大程度上取决于测试者。

图5 负载电阻上输出电压随时间变化的波形图

3 结 论

在该项目的研究过程中，将日常所穿的鞋子作为智能导盲系统的装载设备，已经开发出了在行走和跑步时由鞋底冲动力产生的PVEH，每一只鞋中包含一个PVEH，带有电源电路、控制器以及蓝牙模块。当测试者在穿鞋或实际行走时能够频繁地通过蓝牙模块传输感测数据。目前，这种技术在姿势识别、语音反馈系统及足部压力光学指示器等方向得到广泛应用。