采用压电传感器进行微型采集或能量清除

微型采集或能量清除依赖于从微小但普遍的环境能源中提取能量，例如光，热，RF或振动。对于压电设备，来自振动的能量可以为设备或结构监控提供低功率应用，例如难以到达和维护的无线传感器。通过遵循一些关键的设计考虑因素，工程师可以构建由Parallax，Measurement Specialties/Schaevitz和Mide Technology的压电传感器以及凌力尔特公司的电源管理设备提供动力的应用。

与其他微型采集能源相比，振动和运动是相对强大的环境功率源（图1）。例如，放置在电动机上的振动动力传感器可以在电动机运行期间精确地获得动力。在实际应用中，压电换能器可能用于给高效存储设备充电，而不是直接向应用电路提供电力。例如，典型的微型采集设计可能包括专用电池，例如Cymbet Enerchip，用于在安静时段存储电荷;或超级电容器，例如Eaton HB系列设备，用于在峰值负载期间确保足够的功率用于无线数据传输。

能源采集功率振动/运动人体4μW/cm²工业100μW/cm²温差人类25μW/cm²工业1-10 mW/cm²光室内10μW/cm²室外10 mW/cm²RFGSM0.1μW/cm²WiFi0.001 mW/cm²

图1：振动源可作为重要的环境能源。 （由德州仪器公司提供。）

工作原理

压电晶片由陶瓷如锆钛酸铅（PZT）或含氟聚合物薄膜如聚偏二氟乙烯（PVDF）制成。当受到导致它们弯曲的机械力时，这些装置产生与弯曲运动的幅度成比例的AC电压。为了用作振动传感器，这些材料通常安装在悬臂结构中，一端安装在固定平台上，另一端固定有调谐质量（图2）。例如，Parallax 605-00004，Measurement Specialties 0-1002794-0和Mide Technology VR001都以这种基本悬臂设计的各自变体形式提供。

图2：典型的压电传感器，如Measurement Specialties LDT系列的这一成员，将压电晶圆封装成悬臂式设计，一端连接物体，通过固定在相对自由端的调谐质量确定的共振频率弯曲。 （由来源提供：Measurement Specialties。）

当安装在振动物体上时，这些设备会以特征共振频率弯曲，这取决于它们的物理特性，包括它们的质量。通过改变质量，工程师可以改变换能器的谐振频率。在振动驱动的微型采集应用中，压电传感器的有效性在很大程度上取决于其正确的放置和调整。反过来，最佳放置和调谐在很大程度上取决于压电器所附着的装置的特定性质。最佳位置自然取决于识别最大持续振动的物体上的位置。

谐振频率

为了调整压电换能器的性能，工程师需要充分了解振动物体的频率分布并找到物体自身的谐振频率。对于诸如电动机的一些应用，振动的特性和共振频率可能是众所周知的。对于其他人而言，获得充分理解需要使用加速度计测量物体的振动，并使用快速傅里叶变换（FFT）分析来分析捕获数据的频率特性以找到共振频率。 Mide Technology提供专业的振动表征设备，即Mide VR001 Slam Stick振动记录仪，用于帮助确定振动源的频率分布。

通过改变压电传感器的负载质量，工程师可以调整其谐振频率以匹配附着物的频率。制造商通常提供负载相关的共振频率曲线，记录这种影响。例如，Measurement Specialties LDT系列设备的数据表记录了谐振频率的变化，从180 Hz，无负载到90，60，最后40 Hz，因为负载质量增加约0.26 g（图3） 。

图3：增加悬臂式压电传感器上的调谐质量会使谐振频率 - 在这种情况下从180 Hz无负载质量转换为90，60和40 Hz，每增加0.26 g负载质量。 （由Measurement Specialties提供。）

凭借其Volture系列传感器，Mide提供一系列设备，以适应各种频率曲线和性能目标。 Volture系列基于Mide的QuickPack制造工艺，将一对压电晶圆包裹在保护层中，以隔离器件。晶片可单独使用或串联配置以增加电压或并联配置以增加电流。 Volture提供一系列钨调谐质量块，用于物理加载其压电传感器以进行谐振频率调谐。

电气负载

然而，除了这种物理负载外，压电器件的机械特性也会随着器件的电气负载而发生变化。实际上，这种称为压电分流的方法用于在诸如下坡滑雪板和空间结构之类的物体中提供主动振动阻尼。在这里，工程师使用从简单RLC电路到有源器件的分流电路来调整压电电阻的阻尼特性。

确实，确保压电传感器的最大输出需要注意其负载。为确保正确加载，工程师可以使用高效电源管理电路（图4），包括桥式整流器（D1-D4），低功耗比较器（U1）和降压转换器（U2）。

图4：通过将压电器件保持在固定电压，该电路可保持器件的最大功率输出。 （由Mide Technology提供。）

在这个电路中，降压或降压转换器将压电传感器与下游应用电路的负载隔离开来，并将压电器件看到的阻抗保持在优化传输效率所需的值。 。这种匹配可以通过将压电传感器及其负载视为电阻分压器中的一对电阻器的等效网络来确定 - 在压电传感器操作的任何给定频率和幅度下的可靠近似。

在此等效网络中，当电阻值相同时，两者之间的最佳功率传输发生。因此，对于换能器，与负载的阻抗匹配发生在换能器的负载电压保持在其开路电压（Voc）的一半的值处。所示电路（图4）用于将传感器的工作电压保持在Voc/2。

这里，存储电容器C1充电直到达到由R1和R2的值确定的Voc/2值。当存储的电压超过此值（加滞后）时，降压转换器使能，从C1汲取，直到C1的电压低于滞后阈值。此时，降压转换器被禁用，重复C1的充电和放电循环。在整个过程中，C1处的电压几乎保持恒定。结果，压电器件大致保持在Voc/2，并且实际上不受降压转换器的操作或来自下游电路的负载的影响。

工程师可以使用低功耗器件构建这种类型的电路，例如凌力尔特公司的LTC1540低功耗比较器和凌力尔特公司的LTC1474降压转换器。 LTC1540比较器的电源电流小于0.6μA，静态电流为0.3μA，只需两个外部电阻即可建立比较器迟滞阈值。同样，LTC1474降压转换器在空载时消耗的电流小于10μA，待机时消耗10μA。但是，对于微型采集应用，即使是这些单个设备的最低功率要求也可能难以通过可用的稀疏功率预算来支持。凌力尔特公司通过LTC3588-1压电能量收集电源IC解决了这些问题，该电源将微型采集电源管理电路的关键组件集成在一个器件中。该器件仅需少量外部元件即可提供完整的压电能量清除电源设计（图5）。

图5：Linear Technology LTC3588-1除压电传感器外仅需要少量外部元件，以提供完整的微型采集电源。 （由Linear Technology提供。）