设计切实可行的压电能和热能收集方案需考虑的因素

点 (Tip Mass)

Sensing Element：检测组件

  (等式 1)
 

          (等式 2)
          

 (等式 3)

其中 A 是位移的峰值幅度，单位为米，ω是共振频率，单位为每秒弧度。求解作为频率 f 和加速度 (以 g 表示) 函数的峰值位移 A，得到：

                          (等式 4)       
表 2 显示频率为 21Hz 至 358Hz、加速度值为 25mg 至 4g 时，求等式 4 的值所得的结果。表 2 中的结果显示，产生可观的加速度只需要压电源有很小的实际移动。就感兴趣的频率而言，该压电源的位移一般以微米为单位进行测量。

表 2：以微米 (um) 计的峰值位移随振动频率和加速度的变化
 
Peak Displacement (A) – [um] :   峰值位移 (A) – (um)
 Acceleration w.r.t. to Gravity :   相对于重力的加速度

规定用于无线传感器节点的压电器件特性

要规定用于无线传感器节点应用的压电器件的特性，就需要对该压电源的共振频率和处于这些频率时的加速度幅度进行准确测量。诸如 Mide Volture 产品等典型的压电器件一般有 3Hz 50% 功率带宽。换言之，如果该压电器件的调谐频率在任一方向偏离超过 1.5Hz，那么与峰值共振时的功率相比，其输出功率将是可从该传感器获得功率的一半。出于这个原因，面向振动能量收集市场的大多数能量收集设计都需要定制的压电器件设计，即为压电源和电源管理电路而微调和优化过的设计。大多数压电器件制造商都有用来测量压电源特性的仪器，建议尽早使用这些仪器，以便充分了解压电源，并考虑可能的优化压电器件的选项。

如果一个 WSN 系统设计师寻找的是现成有售的标准压电传感器，那么有几个问题需要考虑。一些需要回答的最常见问题如下：

1. 什么是振动源?
a. 什么是源振动频率?
b. 什么是 WSN 必须以其工作的最低、标称和最高加速度?
2. WSN 使用什么电压?
3. WSN 需要多少输出能量?
a. 最初的网络配置
b. 标准传感器测量和发送
4. WSN 需要多长时间发送一次 (设定需要传感器提供的平均功率)?
5. 什么是电源管理器件的接通门限？ (在 1b 所述的源振动频率和最低加速度时，设定压电器件的最低开路电压)
6. 能有多大的面积专门用于安装压电器件?
7. 可有多大的高度分配给压电器件及其外壳?
8. 应用需要什么类型的安装？
9. 环境条件如何 (湿度、温度……)?

无线传感器节点的能量要求

市面上大多数低功率微控制器和传感器都可以直接靠 3.3V 轨运行。如果需要额外的电源轨，那么现在还有 LTC3388 等极低功率降压型稳压器，该器件可以靠低至 1uA 的电流运行。假设我们将讨论范围限定为具 3.3V 电源轨的系统，那么知道了每个传感器记录和发送时电流随时间的变化，我们就可以计算系统所需的能量。就此例而言，我们采用以下单次发送时的电流变化值：

Vcc = 3.3V
1mA 持续 12ms  (uP 唤醒)    39.6 uJ   (3.3mW)
2mA 持续 17ms  (传感器测量)             112.2 uJ   (6.6mW)
23mA 持续 1ms  (无线发送)          75.9 uJ   (75.9mW)
                          总计： 227.7 uJ

网络搭建完成以后，每次发送都需要 227uJ 这么高的能量。视所采用网络协议的不同而不同，最初的网络配置所需要的能量可能是该能量的两或 3 倍，因为需要多次发送以在系统中正确建立可用节点。其它需要考虑的性能规格是发送时间间隔。在此例中，发送时间间隔是每分钟一次。那么该传感器所需的平均功率是 3.8uW (227.7uJ/60s)。该所需能量已知后，下一步就是评估可能的压电传感器。需要由压电器件制造商提供一幅有用的曲线图，即：对于某种给定的质量点和谐振频率，开路电压与峰值重力加速度 (g) 水平的关系曲线。通过研究该开路电压数据并获知电源管理电路的