贺学锋　齐睿　程耀庆　张闯　尚正国　杨晓康

摘要：针对气象观测、煤矿/隧道/通风管道运行状况监测等的需求，设计了一个由带谐振腔的风能采集器供电的无线风速传感器，该无线传感器包括两个带谐振腔的风能采集器，其中一个用于风能采集，另一个用于风速测量。当风速在特定区间变化时，采集器将发生强烈振动，将风能转换为电能。由于采集器的振动频率随风速单调递减，因此在建立采集器振动频率与风速的关系后，通过测量振动频率就可以实现对风速的测量。实验结果表明，自供能无线风速传感器在8.5～12.1 m/s风速范围内可以正常工作，灵敏度为1.45 Hz·s/m，当风速为12.1 m/s时，自供能无线风速传感器每隔30 s可以测量并发送一次风速信息，基本可以满足通风管道运行状况监测的要求。

关键词：风致振动；能量采集；无线传感；自供能；風速计

引言

传统电池具有尺寸大、需定时更换或充电、对使用环境要求高且污染环境等缺点，难以满足长寿命无线传感网络节点等对电源的要求。将环境中的太阳能、振动能、流体动能等转换为电能的微型能量采集器是解决无线传感器网络节点供电的一种理想方案。由于风能在自然界中广泛存在，将风能转换为电能的微小型能量采集器已成为微能源研究的重要方向之一。同包含转动部件的微型风能采集器相比，基于风致振动机理的微型风能采集器具有可微型化、结构简单等特点，受到国内外广泛关注。风致振动能量采集器首先利用风致振动现象将环境中的风能转换为微结构的振动能，进一步利用压电效应、电磁感应、静电感应等原理将微结构振动能转换为电能，其中压电式风能采集器具有能量密度高、可采用微加工工艺微型化等诸多优点，是当前微型风致振动能量采集器研究的热点。

风速传感器被广泛应用于气象观测、环境监测、森林防火预警、煤矿/隧道运行状况监测等领域，常规的热线式风速传感器功耗大，不太适合于作为自供能无线风速传感器，非热式风速传感器通过测量静态变形、振动幅值或频率等信息来测量风速，具有功耗小的优点，满足无线传感器网络节点对风速传感器的要求，是近几年风速传感器研究的热点之一。利用压阻效应测量静风载荷引起的硅悬臂梁变形，可实现对风速的检测。在周边固支的圆形压电复合薄膜中问制作一根与薄膜垂直的悬臂梁，作用在悬臂梁上的静风载荷使圆形薄膜变形，改变其刚度，进而引起其固有频率的变化，因此采用阻抗分析仪测量圆形膜片的固有频率变化就可以得到风速，该风速传感器加工工艺比较复杂，灵敏度不高。利用风致振动现象，通过测量硅悬臂梁中压电层交变电压的幅值也可实现对风速的测量，但由于电压波动比较大，因此该风速传感器的分辨力不高。硅悬臂梁在风载荷作用下产生风致振动时，利用示波器的快速傅里叶变换（FFT）功能得到悬臂梁内压电层电压的变化频率（即悬臂梁的风致振动频率），进而实现对风速的测量，但由于该传感器在风载荷的作用下未实现稳定的风致振动，因此在采用FFT得到风致振动的频率时噪声较大，传感器的分辨力不高。

受口琴结构的启发，本文设计了带谐振腔的压电式风致振动能量采集器结构，由于风速变化引起结构固有频率的变化，因此该采集器同时具有测量风速的功能。本文设计的风能驱动的无线风速传感器主要包括两个压电式风能采集器，其中一个用于采集环境中的风能，另一个用于测量风速。