电磁传感器外文翻译

1、冻电力*橹毕业设计（论文）外文资料翻译院系：电气工程学院专业：电气工程及其自动化姓名：学号：夕卜文出处： An Electromagnetic Energy Harvesting（用外文写）Circuits for Self-powered Wireless SensorNetwork附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。指导教师评语：签名：年月日附件1:外文资料翻译译文一种磁电自供电无线传感器电源管理电路研究摘 要:针对GMM/ PZT磁电复合单元将电磁波能量转化为电能时，其输出电能不 足以直接驱动无线传感器的问题，设计了基于开关电容网络的电源管理电路，对其充 放电特性进行了理论与实验

2、分析。结果表明，该电路可以对电路中储能电容充电积累 能量，当能量积累到一定程度，电容瞬间放电为无线传感器工作供电。关键词：自供电；GMM/ PZT复合单元；电源管理电路；无线传感器；开关电容网络一引言近年来,无线传感器网络（WSN络得到了广泛应用，如对温度、光强、湿度等环境 参数的监控、材料与结构的健康监测、野外生物监测等。由于在许多应用程序中一 些结构的性质，如轮胎压力和监测汽车运行温度，植入式医疗设备和嵌入式阵列传 感器在建筑，micro-sensor阵列系统必须是完全嵌入式结构,没有连接外面的世界 物理量。传统的解决方案是使用电池，但电池相当庞大，包含有限的能量，有一个有 限的保质期，并

3、包含化学物质，可能会导致危险。在长期存在的系统中的电池更换 是困难的和而且在应用程序中完全嵌入的结构中没有某些物理量连接到外部世界。 例如,特定的无线传感器网络可以通过使用小功率电路和 3v电池1 - 2年，然而传感 器微粒可能不会持续工作很长时间。在其他大型结构 （如建筑健康监测），这可能需 要大量的传感器，这是不切实际的。为传感器提供动力是电池或通过导线供电。系 统依靠的电池使用寿命有限，而系统的自供电有可能有长得多的使用寿，将替代电 池，是使用能量收获的方式，将现有的资源能源在其环境转化为电能。自供电的传 感器提供了有利的物理连接的约束；此外,分布式阵列传感还具有巨大的潜力。这些 将使机

4、器和结构不需要电池维修计划 【1-5】。能量存储方式多样。热能，电能，机械能，化学能，以及存储在照片和生物质 中的能量，虽然他们的存储方式不一样，但都可以相互转换。在这些不同类型的能 源中，电能是现代设备中最常用的一种形式，因为我们可以很容易的通过各种方式 将其转变为其它的能量类型。目前能量转换器多种多样，根据其应用的不同为系统 提供不同的效用。电磁源无处不在即使在人迹罕至的地方也可以很容易地找到，如 空间中。由于条件的限制，电磁自供电系统与其他自供电的方法相比具有很多优点， 并可以用于许多特殊的领域，如感应供电的智能卡。因此，使用自供电技术收集和 存储微型电磁能的能量是一个有潜力有前景的可再

5、生能源。在设计电磁自供电系统 时，最重要的参数是它的物理尺寸和转换效率。系统的大小依赖于系统对能量的需 求，但是物理尺寸应该尽可能小以兼容一般的微机系统。然而，除非是在发射器附 近，其他区域无线信号的功率密度通常是小于 1卩W/cm2勺，其应用会由于其电量过 弱而受到限制。能量收集电路可以将收集或存储的电能用于需要低功耗连续供电或短时间高功 耗供电的系统。在振动频率为500KHZ寸，一个单一的基于振动自供电的发电机在有 效的DS操作下励磁周期为23ms消耗的能量为18卩W与直接将机械能转换为电能 的方式相比，实现电磁能到机械能再到电能的转换方式收集能量的效率较低。通过 对振动式压电发电机的AC

6、-D（或DC-DC勺不同转换方式的分析。可以知道综合指数的 电荷泵能使微小的输入电压增加，并提供一个更高的输出电压。匹配电路和乘法电 路用于自供电系统的状态监测。但是，电磁自供电产生的能量很难驱动无线传感器 网络工作，因为与振动供电的压电发电机相比它的输入功率和电压过低，分别为 20 卩 W 0.2V。本文提出了一种新的磁电复合单元为无线传感器网络提供能量，该复合单元由 压电陶瓷板（PZT）、磁致伸缩Terfenol-D 板、超声变幅器构成。本设计能够连续 保护，存储，采集或积累弱电磁源产生的能量并在短时间内输出高功率的电源管理 电路。该磁电自供电装置可以在弱磁场下驱动一个功率约为75mW的无

7、线传感器网络节点工作。二. 无线传感器硬件系统如图1所示，无线传感器由数据处理和控制单元，传感单元，电源单元和通信单 元四部分组成，传感单元根据需要可以选择温湿度， 光强，低功耗的声音传感器等。 数据处理和控制单元选择Atmel公司的超低功耗处理器ATmega32L A Tmega32L是 增强型精简指令RISC结构的高速8位单片机。通信单元采用Chipcon公司为低功 耗无线应用而设计的单片U HF收发通信芯片CC1100。电源单元由GMM/ PZT磁电 复合单元和电源管理电路组成，管理电路可以控制传感器的工作状态，如休眠状态， 数据处理和发送状态。相对工作时间小于 5m啲传感器，温湿度传感

8、器的工作时间 最长，为620ms传感器的工作电压为3 V ,发送数据时工作电流为25mA消耗功率 为75 mW用时1 ms。接收数据时工作电流为6mA ,消耗功率为18 mW传感饥兀数抓处理与控制单元 通倍单兀图1 无线传感器系统框架三. GMM/ PZT磁电复合单元如图2所示，磁电复合单元由压电陶瓷板（PZT）、磁致伸缩Terfenol-D板、超 声变幅器构成，该复合单元相对于夹层堆叠的复合单元具有更高的磁电电压。一方 面当外加磁场与复合单元共振时具有高Q值的超声变幅器不仅可以收集能量也能减少能量的损失。另一方面磁致伸缩材料由于磁致伸缩效应产生振动，通过超声变幅器会聚更多的振动能量，进而实现

9、压电材料的振动，使压电材料由于压电效应产生 电荷，将机械能转化为电能，从而得到更好的磁电电压或功率。PZT piste 1 Mechanical anchor图2 GMM/PZT材料构成的超声变幅器的结构超声变幅器不仅可以提高能量的密度，而且在振动能量从大的横截面积转移到 小的横截面积时，使能量得以收敛。由于 GM和 PZT材料的品质因数都比较低，所以 为了方便制造，本文采用高Q值的铍青铜材料作为弹性基底，如图2所示的超声变 幅器，其C值为400,放大增益为2.5。该复合结构中GMM和PZT尺寸分别为12 6 1 立方毫米和12 2 0.8立方毫米，在800 Oe的偏置磁场和峰值为1 Oe交变

10、磁场激励 下，超声变幅器的弹性基板纵向振动，在谐振频率处产生的磁电电压是未加入铍青 铜材料时GMM/PZM合结构产生的磁电电压的2倍。铍青铜材料作为弹性基底时，输 出磁电电压和功率分别如图3，图4所示。铍青铜材料的Q值为400时，复合后的结构 在谐振频率处具有较高的磁电电压（约 2V/Oe）和较强的磁电功率（20W/Oe2CKJ0图3输出磁电电压响应02040GOOD 100Ltrmt尿皿叶昶（咖恥205图4输出磁电功率响应然而，GMM/PZT复合单元提供的能量不足以直接驱动无线传感器网络。因为复 合结构的额定输出功率远远小于无线传感器网络节点消耗的功率。因此，需要设计 一个新的电源管理电路来

11、保存/存储能量，然后将这些能量在短时间内释放，为无 线传感器网络提供更高的功率。四. 电源管理电路电源管理电路由匹配升压电路、整流电路、稳压电路和开关电容网络四部分组 成,如图5所示。其中S1、S2、S3、S4、S5为模拟开关，由于压电材料的输出 特性为容性，所以利用双调谐匹配和升压电路可以有效地提高最大输出能量和电 压。然而，磁电复合换能器的发电单元输出功率微弱，很难通过使用匹配和升压电 路直接驱动无线传感器网络工作。因此，首先对压电材料输出的电能进行匹配，加 强对初级电路的整流，然后对开关电容网络中储能电容 C1和C3并联充电当存储的 能量超过阈值时，开关电容网络中控制电路通过开通或关断不

12、同的开关使储能电容 C1和C3由并联变为串联。串联电容C1和C3在短时间内放电产生较高的电压和更强的 功率。稳压电路为负载提供稳定的电压。图5 电源管理电路f Kid开关电容网络仅工作在充电期和放电期两种状态。充电期，开关S1、S2、S4闭合，S3 S5打开，并联储能的电容以串联的形式通过稳压电路对负载放电，直到充 电电流与漏电流相等或存储的能量超过阈值。电容的漏电流（I ），漏电流常数（K）,电容（C）和电压（U）的关系如下：匸KCU（1）电容的存储能量为，2E=CU2（2）因此，应该选择绝缘性较好的电容以减少漏电流，增加存储能量。换言之，对 于较大的电容较小的漏电流会提高电容的储存能量。与

13、电解电容器相比，超级电容 具有明显的优势，如容量为4F的麦克斯韦电容具有很低的漏电流（20A）。电源管理电路的充电等效电路如图6。压电材料等效为一交流电流源I P和等效 电容C并联。M是互感系数，Cst是总储能电容，是角频率。图6电源管理电路充电等效电路如果忽略漏电流和失配引起的损失，则存储电容器Cst的电压是rectVocw MC p L1 L?(3)在理想调谐匹配的条件下，有L1C p1V L2C 2(4)则，它的充电过程类似与一个一阶 RC电路。放电期，S1, S2和S4打开，S3和S5的闭合，两个并联的电容以串联的形式形式通过稳压电路对负载放电，放电电压为单个电容电压的 2倍。如果开关

14、电容网络中有N个电容，那么放电开始时总电压会达到单个电容电压的N倍。模拟开关的控制信号由开关电容网络中的电压监控电路产生，模拟开关供电电源和电压监控芯片电源 均取自开关电容网络中的储能电容。通过稳压电路 ，可以输出范围为36 V的稳定电压。五实验在实验电路(图 5)中，CP= 0.36nF; L1/L2 = 0.25，M= 0.2H; Cst 的=2 1500吓。谐振频率为28KHZ寸，GMMPZT磁电复合单元开路输出电压 Voc为1 V。电源管理电路中并联电容器的理论充电曲线与实验充电曲线对比如图7所示。图7电源管理电路理论充电曲线与实验充电曲线对比实验中电源充电管理电路充电速度比理论充电速

15、度慢，充电量少，这是因为在 实际电路中，由于漏感，杂散电容，失配效应和二极管等因素的影响难以实现理想 协调。同时与电源管理电路连接的无线传感器网络中的温湿度传感器完成一个工作 周期需要的能量为(5)Ei=PT=18 0.619+75 0.001 11.22mJ在实验中，放电阈值电压设置为 3.75V，充电阈值电压设置为1.7V，则放电过程中的电容提供能量为E=UC/2=O.5 (3.75 2-1.7 2) 1500 2=16.8mJ如果稳压芯片的效率是 75%，则电源管理电路提供给传感器的能量为12.6mJ（ 11.22mJ）。因此，储能电容提供的能量可以驱动无线传感器完成一个工作周期。放电时

16、储能电容C3的正端电压（上方的曲线）和稳压电路的输出电压（下方的 曲线）随时间的变化规律如图8所示。图8放电时储能电容 G正端电压和稳压电路输出电压当电容C3（图5）的正端电压超过3.75V时，开关电容网络中存储电容器 C1和 C3串联连接，总电压是7.5V。在此过程中C3正端电压呈下降趋势，当 G正端电压 下降至3.4V时放电结束。此时开关电容网络中的两个储能电容由并联变为串联系 统开始一个新的工作周期。放电时间为620ms无线传感器网络中稳压器的输出约 为3V,充放电周期为26分钟。在交变磁场的磁场强度为ioe勺平直开阔地对磁电自供电无线传感器进行通信 距离测试，不同距离点的数据丢失率如图 9所示，测试结果表明，传感器在60m以内 的通信距离均无数据丢失，超过60n随着通讯距离的增长数据丢失率会不断上升。 当通讯距离超过130m数据几乎全部丢失。该传感器测量问温度与标准温度最大误 差0.8 C（ -35 C、+60C），湿度最大误差4%RH图9数据丢失率随距离变化六.结论本文