前言

由能量收集提供动力的无线传感器已经引起了广泛的关注，因为它们可以减少，甚至可能消除传感系统中对电池和线路的需求。在各种环境能源中，风能在环境中是丰富的，并且便于获取。基于流致振动(FIV)的微型压电风能采集器因其结构简单、易于使用而成为许多研究工作的焦点。这种风能采集器利用气动弹性力在柔性结构中引起振动，通常是以悬臂的形式，然后利用压电换能器将一些振动能量转换成电能。

研究内容

伦敦帝国理工学院的研究人员针对以上内容进行了研究， 最终目标是开发一种自供电无线传感器节点，其中单个传感元件提供风速测量和信号调节及无线传输的功率。舞动、颤振、和涡激振动 (VIV)都是在微型装置中将风能转换成电能的潜在FIV机制。与基于颤振或VIV的装置相比，舞动装置表现出更好的整体性能，因为它们具有相对宽的动态范围、大的振动幅度和低的阈值风速。他们在研究中指出，在风速为15米/秒时，驰振频率从无风时的6.1赫兹逐渐降低到5.2赫兹。权用经验线性公式近似描述这种关系；然而，没有人试图解释这种效应的物理起源。

实验方法

他们报道了一种基于舞动频率随风速变化的微型风速传感器。使用频率变化而不是输出电压，因为输出电压通常是不稳定的，并且相对于风速高度非线性。该传感器由非流线形体和结合了商用聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的悬臂组成。但没有对传感机构进行任何解释。在本文中，他们提出了进一步的实验数据，并概述了一个简单的理论模型，以解释观察到的舞动频率对风速的依赖关系。

风速传感器示意图。

不同风速下的传感器输出。

频率随风速的变化。

风速传感器进行测试得到的电压波形。

结论

他们演示了一种压电风速传感器，它利用了舞动频率随风速的变化。它可以在没有任何电源的情况下工作，并以相对较高的精度测量风速。建立了考虑轴向气动力的简单理论模型来解释频移现象。风洞测量表明，起始风速为4.45米/秒，截止风速为10米/秒。考虑到能量转换能力，传感器可以在自供电传感器节点中为信号调理和无线传输提供电源。这种设备将来可以用于许多领域，例如局部风速检测、大规模环境监测以及与物联网相关的其他应用。例如，在森林环境中，这种装置可以用来根据对异常风型的探测提供森林火灾的早期预警。海洋环境也适合这种传感器，因为它有丰富的风能。这种坚固且低成本的传感器可以广泛分布，用于监测海岸和近海的天气。

https://doi.org/10.1063/5.0012244。