可穿戴導盲器中自供電電源的關鍵技術研究

薛 蕊，曾實現，和雷濤

（青島黃海學院 智能制造學院，山東 青島 266427）

0 引 言

隨著可穿戴式和可持續電氣設備變得越來越流行，自供電現象的產生吸引了更多關注[1]。然而，現階段可穿戴設備的電源通常由電池驅動，外帶電池發出電力的大小和頻繁的充電操作制約了其向前發展的步伐[2-4]。為了解決現有技術的不足，提出了一種可穿戴式微功耗的智能導盲鞋系統，該系統采用自供電的形式工作。在這項研究中，開發了大功率壓電振動能量采集器（Piezoelectric Vibration Energy Harvester，PVEH），其產生的電力足以在導盲鞋行走期間通過人體重量對鞋底的沖擊力操作無線模塊和鞋墊傳感器，并測試傳輸傳感數據。系統開發后不但能準確檢測道路障礙物及具備導航定位能力，基本解決了盲人自主出行的問題[5,6]，還簡化了系統煩瑣的供電形式，真正實現了自供電，增加了該系統的便利性[7,8]。

1 薄膜式振動功率器的設計和分析

1.1 壓電振動功率器的制作

利用壓電厚膜的生長技術進行制作壓電振動能量采集器，是一種通過在不銹鋼基板上絲網印刷形成壓電薄膜的革命性技術[8]。在100 μm厚的不銹鋼兩側制成厚度為40 μm的壓電薄膜，如圖1所示。通過測量，壓電殘余應力超過500 MPa的壓電厚膜經過燒結后大大提高了其斷裂強度。通過實驗輸出光譜，其振動加速度為0.98 m/s2、負載電阻為197.8 kΩ時，共振頻率為59.3 Hz，最大輸出功率光譜為180 μm，如圖2所示。

圖1 PVEH的示意圖

圖2 不同品質因數Q下對應輸出的功率光譜

1.2 等效電路模型的設計方法

通過集總參數模型和壓電本構方程對PVEH結構進行優化，其等效電路理論模型如圖3所示。

圖3 懸臂式振動能量采集器等效電路

等效的電路模型中包括機械系統模型和電氣系統模型，以及連接這兩個系統的變壓器。機械系統由帶有壓電薄膜的金屬懸臂梁組成，而電氣系統由電極電容組成。在正弦激勵的情況下，計算輸出功率Pout：

式中，K是變壓器的匝數比；U是壓電懸臂梁的開路電壓；X是壓力電抗；C是夾在PZT中間的電極的電容；M是頂端質量；k是梯形懸臂的曲度系數；Q是機械品質因數，相關公式如下：

式中，Yp和Ys分別是壓電薄膜和基板的楊氏模量；hp和hs分別是薄膜和基板高度；ε33為介電常數矩陣。為了準確測試PVEH的實驗值，利用機械品質因數Q計算Pout得出理論光譜。可以發現Q=86時，光譜曲線是最佳理論曲線。利用提取的參數，再通過理論計算就可以精確地輸出光譜。

2 PVEH的估算和特征分析

為了能夠準確地估算在跑步過程中PVEH的發電功率，在導盲鞋的鞋底上安裝了加速度傳感器，并且測量了振動加速度，選取了幾名測試者進行測試，當鞋子落在路面上時，加速度最大值約為300 m/s2，如圖4所示。

圖4 振動加速度器輸出波形圖

在脈沖激勵下，對固定在振動器上的PVEH的輸出特性進行測量，得到加速度的最大值約為300 m/s2。在圖5中，可以看到電壓最大值約為±50 V，當鞋子落在地面上時會產生阻尼沖擊。根據測量的電壓和負載電阻，估計每一步的交流發電量為360～1 200 J，但在很大程度上取決于測試者。

圖5 負載電阻上輸出電壓隨時間變化的波形圖

3 結 論

在該項目的研究過程中，將日常所穿的鞋子作為智能導盲系統的裝載設備，已經開發出了在行走和跑步時由鞋底沖動力產生的PVEH，每一只鞋中包含一個PVEH，帶有電源電路、控制器以及藍牙模塊。當測試者在穿鞋或實際行走時能夠頻繁地通過藍牙模塊傳輸感測數據。目前，這種技術在姿勢識別、語音反饋系統及足部壓力光學指示器等方向得到廣泛應用。