飛機無線傳感器供電方法對比解析方案

飛機狀況監(jiān)視

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(fā)生，所有飛機都須定期接受機身維護檢查。

大型機群的結(jié)構(gòu)疲勞曾經(jīng)是一個需要解決的嚴重問題，幸運的是，這個問題已經(jīng)解決了。通過進行更多的檢查、改進的結(jié)構(gòu)分析和跟蹤方法以及采用新的、創(chuàng)新性理念評估結(jié)構(gòu)的完整性，人們已經(jīng)解決了這個問題。這有時被稱為“飛機狀況監(jiān)視”。監(jiān)視飛機狀況的過程中采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法，以連續(xù)、實時地評估飛機狀況。

聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的先進方法，它可以方便地診斷合成型飛機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)體表面，通過三角定位能夠定位裝載有傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。

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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(huán)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(yōu)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(fā)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(chǎn)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(jiān)視器和其它低功率應用正在變成接近“零”電源的設(shè)備，它們僅使用收集的能源。

盡管能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年了，但是在真實環(huán)境中實現(xiàn)的系統(tǒng)一直笨重、復雜并昂貴。不過，有些市場已經(jīng)采用了能量收集方法，其中包括運輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)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(tǒng) (由圖 1 所示的 4 個主要電路系統(tǒng)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(fā)動機等發(fā)熱源上的熱電發(fā)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。

圖1 一個典型能量收集系統(tǒng)的 4 個主要方框

在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電能。在任何一種情況下，所產(chǎn)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(zhuǎn)換，并調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)在收集的能量以電流形式出現(xiàn)，并且喚醒一個傳感器以獲取讀數(shù)或測量值，然后通過一個超低功率無線收發(fā)器傳送這些數(shù)據(jù)，無線收發(fā)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(tǒng)方框都有自己獨特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經(jīng)削弱了電路系統(tǒng)經(jīng)濟上的可行性，直到現(xiàn)在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年了，不過最近超低功率收發(fā)器才提供商用產(chǎn)品。然而，在這個鏈中，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組件配置，通常由 30 個或更多組件組成。這種設(shè)計轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流大，從而導致最終系統(tǒng)性能受損。低轉(zhuǎn)換效率導致了系統(tǒng)加電所需時間延長，反過來又延長了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時間間隔。大靜態(tài)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(jīng)受熱量變化時，就產(chǎn)生熱電發(fā)生 (TEG) 現(xiàn)象，在這種情況下，熱電發(fā)生器產(chǎn)生電壓，并引起電流流動，從而按照稱為席貝克效應 (Seeback Effect) 的定律，將熱量轉(zhuǎn)換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯(lián)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(chǎn)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(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機械能 (燃燒和發(fā)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(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學現(xiàn)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(fā)生器使用更多的熱量 (Q) ，產(chǎn)生更多的功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器可以獲取兩倍的熱量，產(chǎn)生兩倍的功率。較大的熱電發(fā)生器通過串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產(chǎn)生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)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(lián)熱電發(fā)生器，有時使用較大的熱電發(fā)生器。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用的產(chǎn)品，其中包括 Tellurex公司。

通過給某個元件施加應力可產(chǎn)生壓電性，這反過來將產(chǎn)生一個電勢。壓電效應是可逆的，因為呈現(xiàn)正壓電效應 (在施加應力時將產(chǎn)生一個電勢) 的材料同時也表現(xiàn)出逆壓電效應 (當施加一個電場時將產(chǎn)生應力/應變)。

為了優(yōu)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(shè)計一個從機械上調(diào)諧到特定振動頻率的壓電換能器，并調(diào)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。