基于新型混合压电发电机和摩擦纳米发电机实现自供电无线传感

在偏远地区和恶劣环境中使用的许多机器、车辆和设备，如矿山钻孔、桥梁、铁轨等在运行过程中存在着丰富的振动能量，特别是在低频段。因而，振动能量收集在无线传感节点（WSNs）供电中发挥了重要作用。另一方面，设备的振动状态需要WSNs实时监测，并定期将加速度信息无线发射至上位机，而基于摩擦电的加速度计设计具有重要应用前景。由于WSNs中微控制器单元（MCU）和射频（RF）收发器功率消耗较大，因而如何实现WSNs供电的自给自足仍然是一个巨大挑战。

近日，西安交通大学微纳制造与测试技术国际合作联合实验室蒋庄德院士、赵立波教授课题组和新加坡国立大学Chengkuo Lee教授课题组合作提出了由新型混合压电发电机（PEG）和摩擦纳米发电机（TENG）振动模块组成的自供电无线传感节点（WSN），该工作以振动机制结合了压电能量收集和摩擦电加速度传感。PEG与TENG碰撞时不仅表现出宽频带振动行为，而且通过施加轴向力具有调频能力，提高了振动环境适应性。在1g加速度25 Hz下PEG谐振平均输出功率为6.5 mW，通过倍压整流电路可点亮30盏串联LEDs。通过结构优化和简单的信号处理电路，该自供电TENG加速度计具有良好的线性度、灵敏度。该WSN基于Arduino nano的MCU和Zigbee的RF构成，经过精简硬件和低占空比的低功耗设计，平均功耗降至3.86 mW。基于TENG和PEG混合振动机制，以PEG作为能量源，TENG作为自供电加速度传感单元，实现了WSN自主可持续自供电，并通过一个虚拟现实（VR）列车监控模拟，验证了自供电WSN在列车状态监控方面的可行性和恶劣环境下物联网应用的广阔前景。

该研究成果以“Self-sustained autonomous wireless sensing based on a hybridized TENG and PEG vibration mechanism”为题发表在微纳能源领域顶级期刊Nano Energy（影响因子16.602）上。论文第一作者为机械工程学院博士生王路，西安交通大学为第一作者单位兼通讯单位，机械学院赵立波教授和新加坡国立大学Chengkuo Lee教授为共同通讯作者。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和新加坡国立大学Edge项目等资助。

来源：西安交大

论文链接

http://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520311290