能量收集电源设计在飞机状况监视系统的应用方案

来源:网络整理 作者:2017年12月07日 14:48
关键词:电源

飞机状况监视

飞机老化是许多空难事故的主要原因,为了尽可能地避免灾难发生,所有飞机都须定期接受机身维护检查。大型机群的结构疲劳曾经是一个需要解决的严重问题,幸运的是,这个问题已经解决了。通过进行更多的检查、改进的结构分析和跟踪方法以及采用新的、创新性理念评估结构的完整性,人们已经解决了这个问题。这有时被称为“飞机状况监视”。监视飞机状况的过程中采用了传感器、人工智能和先进的分析方法,以连续、实时地评估飞机状况。声发射检测是定位和监视金属结构中产生裂缝的先进方法,它可以方便地诊断合成型飞机结构的损坏。一个显然的要求是,以简单的“通过”、“未通过”形式指示结构完整性,或者立即进行维修。这种检测方法使用由压电芯片构成的扁平外形检测传感器和光传感器,压电芯片由聚合物薄膜密封。传感器牢固地安装到结构体表面,通过三角定位能够定位装载有传感器的结构体的声活动。然后用仪器捕捉传感器数据,并以适合于窄带存储和传送的形式用参数表示这些数据。因此,无线传感器模块常常嵌入到飞机的各种不同部分,例如机翼或机身,以进行结构分析。不过为这些传感器供电可能很复杂,因此,如果以无线方式供电甚至实现自助供电,那么这些传感器模块可能更方便使用,效率也更高。在飞机环境中,存在很多“免费”能源,可用来给这类传感器供电。两种显然的方法是热能收集和压电能收集。这两种方法各有优缺点,下面将进行更详细的讨论。

能量收集的基本原理

从温差 (热电发生器或热电堆)、机械振动或压力 (压电或机电器件)和光 (光伏器件) 等可方便得到的物理来源产生电的换能器,对于很多应用来说是可行的电源。众多无线传感器、远端监视器和其它低功率应用正在变成接近“零”电源的设备,它们仅使用收集的能源。
尽管能量收集的概念已经出现很多年了,但是在真实环境中实现的系统一直笨重、复杂并昂贵。不过,有些市场已经采用了能量收集方法,其中包括运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测和楼宇自动化。
       典型的能量收集配置或系统 (由图 1 所示的 4 个主要电路系统方框代表) 通常含有一个免费能源。这类能源的例子包括附在飞机发动机等发热源上的热电发生器 (TEG) 或热电堆,或者附在飞机机架或机翼等机械振动源上的压电换能器。

图1 一个典型能量收集系统的 4 个主要方框

在热源情况下,一个紧凑型热电器件可以将小的温差转换成电能。而在振动或压力可用的情况下,一个压电器件可以将小的振动或压力差转换成电能。在任何一种情况下,所产生的电能都可用一个能量收集电路 (图 1中的第二个方框) 转换,并调整为可用形式,以给下游电路供电。这些下游电子组件通常由某种传感器、模数转换器和超低功率微控制器 (图 1 中的第三个方框) 组成。这些组件可以接受这种收集的能量,现在收集的能量以电流形式出现,并且唤醒一个传感器以获取读数或测量值,然后通过一个超低功率无线收发器传送这些数据,无线收发器由图 1 所示电路链的第四个方框代表。
       这个链中的每一个电路系统方框都有自己独特的限制,能源本身可能例外,这些限制已经削弱了电路系统经济上的可行性,直到现在情况一直如此。低成本和低功率传感器及微控制器已经上市两三年了,不过最近超低功率收发器才提供商用产品。然而,在这个链中,最落后的一直是能量收集器。
能量收集器方框的已有方案一般采用低性能分立组件配置,通常由 30 个或更多组件组成。这种设计转换效率低,静态电流大,从而导致最终系统性能受损。低转换效率导致了系统加电所需时间延长,反过来又延长了获取传感器读数与发送数据之间的时间间隔。大静态电流限制了能量收集源的输出,因为能量收集器必须首先提供自身工作所需的电流,然后才能够向输出提供任何多余的功率。

能量收集换能器和IC

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