振動發電機測試平臺設計

傳感器網絡近來已延伸至各種環境及工業數據采集應用中，傳感器節點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，這些感應器件可以采集振動能量。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，則至少有助于延長電池續航能力。

　　通過振動能量供電的能量采集器采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。磁通量變化是由于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于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。由于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羅那(加泰羅尼亞理工大學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、用于處理數據的軟件應用以及用于制造原型采用有限單元的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。