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能量收集電源設(shè)計(jì)在飛機(jī)狀況監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用方案

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:933次  |  2020年02月04日  

飛機(jī)狀況監(jiān)視

飛機(jī)老化是許多空難事故的主要原因,為了盡可能地避免災(zāi)難發(fā)生,所有飛機(jī)都須定期接受機(jī)身維護(hù)檢查。大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)疲勞曾經(jīng)是一個(gè)需要解決的嚴(yán)重問題,幸運(yùn)的是,這個(gè)問題已經(jīng)解決了。通過進(jìn)行更多的檢查、改進(jìn)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(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性,人們已經(jīng)解決了這個(gè)問題。這有時(shí)被稱為飛機(jī)狀況監(jiān)視。監(jiān)視飛機(jī)狀況的過程中采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法,以連續(xù)、實(shí)時(shí)地評(píng)估飛機(jī)狀況。聲發(fā)射檢測(cè)是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的先進(jìn)方法,它可以方便地診斷合成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞。一個(gè)顯然的要求是,以簡(jiǎn)單的通過、未通過形式指示結(jié)構(gòu)完整性,或者立即進(jìn)行維修。這種檢測(cè)方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平外形檢測(cè)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(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù),并以適合于窄帶存儲(chǔ)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(jī)的各種不同部分,例如機(jī)翼或機(jī)身,以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。不過為這些傳感器供電可能很復(fù)雜,因此,如果以無線方式供電甚至實(shí)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(jī)環(huán)境中,存在很多免費(fèi)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(diǎn),下面將進(jìn)行更詳細(xì)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(jī)械振動(dòng)或壓力(壓電或機(jī)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(duì)于很多應(yīng)用來說是可行的電源。眾多無線傳感器、遠(yuǎn)端監(jiān)視器和其它低功率應(yīng)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(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)一直笨重、復(fù)雜并昂貴。不過,有些市場(chǎng)已經(jīng)采用了能量收集方法,其中包括運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化。

典型的能量收集配置或系統(tǒng)(由圖1所示的4個(gè)主要電路系統(tǒng)方框代表)通常含有一個(gè)免費(fèi)能源。這類能源的例子包括附在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)熱源上的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆,或者附在飛機(jī)機(jī)架或機(jī)翼等機(jī)械振動(dòng)源上的壓電換能器。



在熱源情況下,一個(gè)緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在振動(dòng)或壓力可用的情況下,一個(gè)壓電器件可以將小的振動(dòng)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(gè)能量收集電路(圖1中的第二個(gè)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(gè)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(gè)傳感器以獲取讀數(shù)或測(cè)量值,然后通過一個(gè)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(gè)方框代表。

這個(gè)鏈中的每一個(gè)電路系統(tǒng)方框都有自己獨(dú)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(jì)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(gè)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(gè)或更多組件組成。這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低,靜態(tài)電流大,從而導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受損。低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致了系統(tǒng)加電所需時(shí)間延長(zhǎng),反過來又延長(zhǎng)了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔。大靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出,因?yàn)槟芰渴占鞅仨毷紫忍峁┳陨砉ぷ魉璧碾娏?,然后才能夠向輸出提供任何多余的功率?/p>
能量收集換能器和IC
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