風致振動能量采集器驅動的無線風速傳感器

賀學鋒　齊睿　程耀慶　張闖　尚正國　楊曉康

摘要：針對氣象觀測、煤礦/隧道/通風管道運行狀況監測等的需求，設計了一個由帶諧振腔的風能采集器供電的無線風速傳感器，該無線傳感器包括兩個帶諧振腔的風能采集器，其中一個用于風能采集，另一個用于風速測量。當風速在特定區間變化時，采集器將發生強烈振動，將風能轉換為電能。由于采集器的振動頻率隨風速單調遞減，因此在建立采集器振動頻率與風速的關系后，通過測量振動頻率就可以實現對風速的測量。實驗結果表明，自供能無線風速傳感器在8.5～12.1 m/s風速范圍內可以正常工作，靈敏度為1.45 Hz·s/m，當風速為12.1 m/s時，自供能無線風速傳感器每隔30 s可以測量并發送一次風速信息，基本可以滿足通風管道運行狀況監測的要求。

關鍵詞：風致振動；能量采集；無線傳感；自供能；風速計

引言

傳統電池具有尺寸大、需定時更換或充電、對使用環境要求高且污染環境等缺點，難以滿足長壽命無線傳感網絡節點等對電源的要求。將環境中的太陽能、振動能、流體動能等轉換為電能的微型能量采集器是解決無線傳感器網絡節點供電的一種理想方案。由于風能在自然界中廣泛存在，將風能轉換為電能的微小型能量采集器已成為微能源研究的重要方向之一。同包含轉動部件的微型風能采集器相比，基于風致振動機理的微型風能采集器具有可微型化、結構簡單等特點，受到國內外廣泛關注。風致振動能量采集器首先利用風致振動現象將環境中的風能轉換為微結構的振動能，進一步利用壓電效應、電磁感應、靜電感應等原理將微結構振動能轉換為電能，其中壓電式風能采集器具有能量密度高、可采用微加工工藝微型化等諸多優點，是當前微型風致振動能量采集器研究的熱點。

風速傳感器被廣泛應用于氣象觀測、環境監測、森林防火預警、煤礦/隧道運行狀況監測等領域，常規的熱線式風速傳感器功耗大，不太適合于作為自供能無線風速傳感器，非熱式風速傳感器通過測量靜態變形、振動幅值或頻率等信息來測量風速，具有功耗小的優點，滿足無線傳感器網絡節點對風速傳感器的要求，是近幾年風速傳感器研究的熱點之一。利用壓阻效應測量靜風載荷引起的硅懸臂梁變形，可實現對風速的檢測。在周邊固支的圓形壓電復合薄膜中問制作一根與薄膜垂直的懸臂梁，作用在懸臂梁上的靜風載荷使圓形薄膜變形，改變其剛度，進而引起其固有頻率的變化，因此采用阻抗分析儀測量圓形膜片的固有頻率變化就可以得到風速，該風速傳感器加工工藝比較復雜，靈敏度不高。利用風致振動現象，通過測量硅懸臂梁中壓電層交變電壓的幅值也可實現對風速的測量，但由于電壓波動比較大，因此該風速傳感器的分辨力不高。硅懸臂梁在風載荷作用下產生風致振動時，利用示波器的快速傅里葉變換（FFT）功能得到懸臂梁內壓電層電壓的變化頻率（即懸臂梁的風致振動頻率），進而實現對風速的測量，但由于該傳感器在風載荷的作用下未實現穩定的風致振動，因此在采用FFT得到風致振動的頻率時噪聲較大，傳感器的分辨力不高。

受口琴結構的啟發，本文設計了帶諧振腔的壓電式風致振動能量采集器結構，由于風速變化引起結構固有頻率的變化，因此該采集器同時具有測量風速的功能。本文設計的風能驅動的無線風速傳感器主要包括兩個壓電式風能采集器，其中一個用于采集環境中的風能，另一個用于測量風速。