自供电传感器自动获取磁能

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自供电传感器自动获取磁能

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自供电传感器自动获取磁能

麻省理工学院的研究人员开发了一种无电池、自供电传感器,可以从环境中获取能量

因为它不需要充电或更换电池,也不需要特殊布线,所以这种传感器可以嵌入难以触及的地方,比如船上发动机的内部工作。在那里,它可以自动收集机器的功耗和长时间运行的数据

研究人员制造了一种温度传感装置,从电线周围的露天磁场中获取能量。人们可以简单地将传感器夹在一根通电的电线上——也许是为电机供电的电线——它将自动采集和存储能量,用于监测电机的温度

伊曼纽尔·E·兰茨曼电气工程与计算机科学(EECS)教授、机械工程教授、电子研究实验室成员Steve Leeb说:“这是环境电力——我不必进行特定的焊接连接就能获得的能量。这使得这个传感器非常容易安装。”,以及一篇关于能量采集传感器的论文的资深作者

在这篇发表在《IEEE传感器杂志》1月刊上的专题文章中,研究人员提供了一种能量收集传感器的设计指南,使工程师能够平衡环境中的可用能量与传感需求

该论文为设备的关键组件制定了路线图,该设备可以在运行过程中连续感知和控制能量流

多功能设计框架不仅限于获取磁场能量的传感器,还可以应用于使用其他电源的传感器,如振动或阳光。它可以用于为工厂、仓库和商业空间构建传感器网络,安装和维护成本更低

“我们提供了一个无电池传感器的例子,它可以做一些有用的事情,并表明这是一个切实可行的解决方案。现在,其他人有望利用我们的框架来设计自己的传感器,”首席作者、EECS研究生Daniel Monagle说。Monagle和Leeb与EECS研究生Eric Ponce一起发表了这篇论文

John Donnal,美国海军学院武器与控制工程副教授,没有参与这项工作,研究监测船舶系统的技术。他说,在船上获得电力可能很困难,Donnal补充道:“例如,持续测量泵的振动可以为机组人员提供轴承和支架健康状况的实时信息,但为改装传感器供电通常需要大量额外的基础设施,因此投资不值得。”。“像这样的能量采集系统可以改造船上的各种诊断传感器,并显著降低总体维护成本。”

研究人员必须应对三个关键挑战,才能开发出一种有效的、无电池的能量采集传感器

操作指南

首先,系统必须能够冷启动,这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动电子设备。他们通过集成电路和晶体管网络实现了这一点,使系统能够存储能量,直到达到一定的阈值。只有当系统存储了足够的电力以完全运行时,系统才会启动

其次,系统必须在没有电池的情况下有效地存储和转换其获取的能量。虽然研究人员本可以包括一个电池,但这会给系统增加额外的复杂性,并可能造成火灾风险

Monagle补充道:“你甚至可能没有派遣技术人员更换电池的奢侈。相反,我们的系统是免维护的。它可以收集能量并自行运行。”

为了避免使用电池,它们包含内部储能器,其中可以包括一系列电容器。电容器比电池更简单,它将能量存储在导电板之间的电场中。电容器可以由多种材料制成,其性能可以根据一系列操作条件、安全要求和可用空间进行调整

该团队仔细设计了电容器,使其足够大,可以存储设备打开并开始获取电力所需的能量,但也足够小,充电阶段不会花费太长时间

此外,由于传感器可能需要数周甚至数月的时间才能打开进行测量,因此他们确保电容器能够保持足够的能量,即使随着时间的推移有些电容器会泄漏

最后,他们开发了一系列控制算法,可以动态测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器是能量管理接口的“大脑”,它不断检查储存了多少能量,并推断是打开还是关闭传感器,进行测量,还是将收割机调到更高的档位,这样它就可以为更复杂的传感需求收集更多的能量

利用这个设计框架,他们为现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备获取磁场能量,并使用它来连续采样温度数据,然后使用蓝牙将数据发送到智能手机接口

研究人员使用了超低功率

自供电传感器

利用这个设计框架,他们为现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备获取磁场能量,并使用它来连续采样温度数据,然后使用蓝牙将数据发送到智能手机接口。

研究人员使用超低功率电路来设计该设备,但很快发现,这些电路对它们在崩溃前能承受的电压有严格的限制。获取过多的电力可能会导致设备爆炸。

为了避免这种情况,如果储存的能量过多,微控制器中的能量采集器操作系统会自动调整或减少采集。

他们还发现,通信——传输温度传感器收集的数据——是迄今为止最耗电的操作。

Monagle说:“确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一个持续的挑战,需要仔细设计。”。

未来,研究人员计划探索低能耗的数据传输方式,如使用光学或声学。他们还希望更严格地建模和预测有多少能量可能进入系统,或者传感器可能需要多少能量来进行测量,这样设备就可以有效地收集更多的数据。

Leeb说:“如果你只进行你认为需要的测量,你可能会错过一些真正有价值的东西。有了更多的信息,你可能能够了解到一些你意想不到的设备操作。我们的框架可以让你平衡这些考虑。”。

佛罗里达州立大学工程学院电气和计算机工程助理教授Jinyeong Moon没有参与这项工作,他说:“这篇论文充分证明了实用的自供电传感器节点在现实场景中应该在内部包含什么。总体设计指南,特别是在冷启动问题上,非常有帮助。”。

“计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中受益匪浅,可以轻松地勾选传统上繁琐的冷启动相关清单。”

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