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- 自供電傳感器自動收集磁能
- 來源：亞當·澤維 | 麻省理工學(xué)院新聞 發(fā)表于 2024/5/9
麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種無需電池的自供電傳感器，可以從環(huán)境中收集能量。
因為它不需要充電或更換的電池，也不需要特殊的布線，所以這種傳感器可以嵌入到難以觸及的地方，比如船舶發(fā)動機的內(nèi)部工作。在那里，它可以長時間自動收集有關(guān)機器功耗和操作的數(shù)據(jù)。
研究人員建造了一種溫度傳感裝置，可以從電線周圍露天產(chǎn)生的磁場中收集能量。人們可以簡單地將傳感器夾在一根帶電的電線上——也許是為電機供電的電線——它會自動收集和儲存能量，用于監(jiān)測電機的溫度。
“這是環(huán)境功率——我不必進行特定的焊接連接即可獲得的能量。這使得這個傳感器非常容易安裝，“Emanuel E. Landsman電氣工程和計算機科學(xué)（EECS）教授、機械工程教授、電子研究實驗室成員、能量收集傳感器論文的作者Steve Leeb說。
在這篇論文中，研究人員提供了能量收集傳感器的設(shè)計指南，該指南使工程師能夠平衡環(huán)境中的可用能量與傳感需求。
本文為設(shè)備的關(guān)鍵組件制定了路線圖，這些組件可以在運行過程中持續(xù)感知和控制能量流。
多功能設(shè)計框架不限于收集磁場能量的傳感器，還可以應(yīng)用于使用其他電源（如振動或陽光）的傳感器。它可用于為工廠、倉庫和商業(yè)空間構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，安裝和維護成本更低。
“我們提供了一個無電池傳感器的例子，它可以做一些有用的事情，并表明這是一個實際可行的解決方案�，F(xiàn)在，其他人將有望使用我們的框架來設(shè)計自己的傳感器，“主要作者，EECS研究生Daniel Monagle說。
Monagle和Leeb由EECS研究生Eric Ponce加入論文。
美國海軍學(xué)院武器與控制工程副教授約翰·唐納爾（John Donnal）沒有參與這項工作，他研究的是監(jiān)控船舶系統(tǒng)的技術(shù)。他說，在船上獲得電力可能很困難，因為插座很少，而且對可以插入哪些設(shè)備有嚴格的限制。
“例如，持續(xù)測量泵的振動可以為機組人員提供有關(guān)軸承和支架健康狀況的實時信息，但為改裝傳感器供電通常需要大量額外的基礎(chǔ)設(shè)施，因此投資不值得，”Donnal 補充道。“像這樣的能量收集系統(tǒng)可以改造船上的各種診斷傳感器，并顯著降低總體維護成本。
操作指南
研究人員應(yīng)對三個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，才能開發(fā)出一種有效的、無電池的能量收集傳感器。
首先，系統(tǒng)能夠冷啟動，這意味著它可以在沒有初始電壓的情況下啟動其電子設(shè)備。他們通過集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了這一點，該網(wǎng)絡(luò)允許系統(tǒng)存儲能量，直到達到一定閾值。系統(tǒng)只有在存儲了足夠的電量以完全運行后才會打開。
其次，系統(tǒng)須在沒有電池的情況下有效地存儲和轉(zhuǎn)換它收集的能量。雖然研究人員可能包括一個電池，但這會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并可能造成火災(zāi)風(fēng)險。
“你甚至可能沒有派出技術(shù)人員來更換電池。相反，我們的系統(tǒng)是免維護的。它收集能量并自行運行，“Monagle 補充道。
為了避免使用電池，它們集成了內(nèi)部儲能，可以包括一系列電容器。電容器比電池更簡單，將能量存儲在導(dǎo)電板之間的電場中。電容器可以由多種材料制成，其功能可以根據(jù)各種工作條件、安全要求和可用空間進行調(diào)整。
該團隊精心設(shè)計了電容器，使它們足夠大，可以存儲設(shè)備打開并開始收集電力所需的能量，但又足夠小，充電階段不會花費太長時間。
此外，由于傳感器可能需要數(shù)周甚至數(shù)月才能打開進行測量，因此他們確保電容器能夠保持足夠的能量，即使隨著時間的推移會泄漏一些電容器。
他們開發(fā)了一系列控制算法，可以動態(tài)測量和預(yù)算設(shè)備收集、存儲和使用的能量。微控制器是能量管理接口的“大腦”，它不斷檢查存儲了多少能量，并推斷是打開還是關(guān)閉傳感器、進行測量或?qū)⑹崭顧C踢到更高的檔位，以便它可以收集更多能量來滿足更復(fù)雜的傳感需求。
“就像你在自行車上換檔一樣，能量管理界面會查看收割機的運行情況，本質(zhì)上是看它是踩得太硬還是太軟，然后它會改變電子負載，這樣它就可以大限度地提高它正在收割的功率，并將收割與傳感器的需求相匹配，“Monagle解釋道。
自供電傳感器
利用這個設(shè)計框架，他們?yōu)楝F(xiàn)成的溫度傳感器構(gòu)建了一個能量管理電路。該設(shè)備收集磁場能量，并利用它連續(xù)采樣溫度數(shù)據(jù)，并使用藍牙將其發(fā)送到智能手機界面。
研究人員使用超低功耗電路來設(shè)計該設(shè)備，但很快發(fā)現(xiàn)這些電路在擊穿前對它們可以承受多少電壓有嚴格的限制。收集過多的功率可能會導(dǎo)致設(shè)備爆炸。
為了避免這種情況，如果存儲的能量變得過多，微控制器中的能量收集器操作系統(tǒng)會自動調(diào)整或減少收集。
他們還發(fā)現(xiàn)，通信（傳輸溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)）是迄今為止耗電的操作。
“確保傳感器有足夠的存儲能量來傳輸數(shù)據(jù)是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)，需要精心設(shè)計，”Monagle 說。
未來，研究人員計劃探索能源密集度較低的數(shù)據(jù)傳輸方式，例如使用光學(xué)或聲學(xué)。他們還希望更嚴格地建模和預(yù)測可能進入系統(tǒng)的能量，或者傳感器可能需要多少能量進行測量，以便設(shè)備可以有效地收集更多數(shù)據(jù)。
“如果你只做你認為你需要的測量，你可能會錯過一些有價值的東西。有了更多信息，你也許能夠了解一些你意想不到的關(guān)于設(shè)備操作的知識。我們的框架可以讓您平衡這些考慮因素，“Leeb 說。
“這篇論文有充分的文檔說明，對于現(xiàn)實場景，實用的自供電傳感器節(jié)點在內(nèi)部應(yīng)該需要什么�？傮w設(shè)計指南，特別是關(guān)于冷啟動問題的指南，非常有幫助，“佛羅里達農(nóng)工大學(xué)-佛羅里達州立大學(xué)工程學(xué)院電氣和計算機工程助理教授Jinyeong Moon說，他沒有參與這項工作。“計劃為無線傳感器節(jié)點設(shè)計自供電模塊的工程師將從這些指南中受益匪淺，輕松勾選傳統(tǒng)上繁瑣的冷啟動相關(guān)清單。”
這項工作得到了海軍研究辦公室和格蘭杰基金會的部分支持。
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