飛機無線傳感器供電方法對比解析方案

　　飛機老化是許多空難事故的主要原因，為了盡可能地避免災難發生，所有飛機都須定期接受機身維護檢查。
　　
　　大型機群的結構疲勞曾經是一個需要解決的嚴重問題，幸運的是，這個問題已經解決了。通過進行更多的檢查、改進的結構分析和跟蹤方法以及采用新的、創新性理念評估結構的完整性，人們已經解決了這個問題。這有時被稱為“飛機狀況監視”。監視飛機狀況的過程中采用了傳感器、人工智能和*的分析方法，以連續、實時地評估飛機狀況。
　　
　　聲發射檢測是定位和監視金屬結構中產生裂縫的*方法，它可以方便地診斷合成型飛機結構的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結構完整性，或者立即進行維修。這種檢測方法使用由壓電芯片構成的扁平外形檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結構體表面，通過三角定位能夠定位裝載有傳感器的結構體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數據，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數表示這些數據。
　　
　　因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結構分析。不過為這些傳感器供電可能很復雜，因此，如果以無線方式供電甚至實現自助供電，那么這些傳感器模塊可能更方便使用，效率也更高。在飛機環境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然的方法是熱能收集和壓電能收集。這兩種方法各有優缺點，下面將進行更詳細的討論。
　　
　　能量收集的基本原理
　　
　　從溫差（熱電發生器或熱電堆）、機械振動或壓力（壓電或機電器件）和光（光伏器件）等可方便得到的物理來源產生電的換能器，對于很多應用來說是可行的電源。眾多無線傳感器、遠端監視器和其它低功率應用正在變成接近“零”電源的設備，它們僅使用收集的能源。
　　
　　盡管能量收集的概念已經出現很多年了，但是在真實環境中實現的系統一直笨重、復雜并昂貴。不過，有些市場已經采用了能量收集方法，其中包括運輸基礎設施、無線醫療設備、輪胎壓力檢測和樓宇自動化。
　　
　　典型的能量收集配置或系統（由圖1所示的4個主要電路系統方框代表）通常含有一個免費能源。這類能源的例子包括附在飛機發動機等發熱源上的熱電發生器（TEG）或熱電堆，或者附在飛機機架或機翼等機械振動源上的壓電換能器。　　　　
　　在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉換成電能。而在振動或壓力可用的情況下，一個壓電器件可以將小的振動或壓力差轉換成電能。在任何一種情況下，所產生的電能都可用一個能量收集電路（圖1中的第二個方框）轉換，并調整為可用形式，以給下游電路供電。這些下游電子組件通常由某種傳感器、模數轉換器和超低功率微控制器（圖1中的第三個方框）組成。這些組件可以接受這種收集的能量，現在收集的能量以電流形式出現，并且喚醒一個傳感器以獲取讀數或測量值，然后通過一個超低功率無線收發器傳送這些數據，無線收發器由圖1所示電路鏈的第四個方框代表。
　　
　　這個鏈中的每一個電路系統方框都有自己*的限制，能源本身可能例外，這些限制已經削弱了電路系統經濟上的可行性，直到現在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經上市兩三年了，不過zui近超低功率收發器才提供商用產品。然而，在這個鏈中，zui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組件配置，通常由30個或更多組件組成。這種設計轉換效率低，靜態電流大，從而導致zui終系統性能受損。低轉換效率導致了系統加電所需時間延長，反過來又延長了獲取傳感器讀數與發送數據之間的時間間隔。大靜態電流限制了能量收集源的輸出，因為能量收集器必須首先提供自身工作所需的電流，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率。
　　
　　能量收集換能器和IC
　　
　　一個熱電器件的核心組件是熱電耦，它由一個n型半導體和一個p型半導體組成，兩個半導體靠一塊金屬板連接。p型和n型材料另一端加上電氣連接，以形成一個完整的電子電路。當熱電耦經受熱量變化時，就產生熱電發生（TEG）現象，在這種情況下，熱電發生器產生電壓，并引起電流流動，從而按照稱為席貝克效應（SeebackEffect）的定律，將熱量轉換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯連接，形成一個熱電模塊。如果熱量在這個模塊的上部和下部之間流動，那么就會產生電壓和電流流動。
　　
　　在典型的飛機引擎情況下，其溫度可能在幾百攝氏度到一千攝氏度甚至兩千攝氏度的范圍內變化。盡管這種能量大多數都以機械能（燃燒和發動機推力）的形式損失了，但仍有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應是將熱量轉換成電功率的根本熱力學現象，那么考慮的主要方程是：
　　
　　P=ηQ
　　
　　其中P是電功率，Q是熱量，η是效率。
　　
　　較大的熱電發生器使用更多的熱量（Q），產生更多的功率（P）。類似地，使用數量為兩倍的功率轉換器可以獲取兩倍的熱量，產生兩倍的功率。較大的熱電發生器通過串聯更多的P-N節形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產生更大的電壓（mV/dT），但是也增大了熱電發生器的串聯電阻。這種串聯電阻增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應用需求的不同而不同，有時使用較小的并聯熱電發生器，有時使用較大的熱電發生器。不管選擇哪一種熱電發生器，都有很多廠商提供商用的產品，其中包括lurex公司。
　　
　　通過給某個元件施加應力可產生壓電性，這反過來將產生一個電勢。壓電效應是可逆的，因為呈現正壓電效應（在施加應力時將產生一個電勢）的材料同時也表現出逆壓電效應（當施加一個電場時將產生應力/應變）。
　　
　　為了優化壓力換能器，需要確定源的振動頻率和位移特性。一旦這些值確定了，那么壓電換能器制造商就可以設計一個從機械上調諧到特定振動頻率的壓電換能器，并調整該壓電換能器的大小，以提供必需的功率。壓電材料的振動激活正壓電效應，在該器件的輸出電容上引起電荷積累。積累的電荷通常相當少，因此AC開路電壓很高，在很多情況下處于200V量級。