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麻省理工开发了无电池、自供电传感器,可从环境中获取能量

2024-01-18 16:03:00 综合报道 阅读:
麻省理工学院的研究人员开发的无电池、自供电传感器利用环境中的能量来满足其运行需求,这对于传感技术的一项重要进展。该技术的概念是利用环境中的振动这种自供电技术对于无线传感器网络、物联网和可穿戴设备等领域可能会产生必然的影响。

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,可从环境中获取能量。91iednc

由于它消耗了充电或更换电池,也消耗了这种特殊布线,因此传感器可以嵌入在船舶发动机等难以到达的位置,并能自动长时间收集有关机器功耗和运行情况的数据。91iednc

研究人员设计了一种温度传感设备,能够从导线周围的空气中生成磁场中获取能量。只需简单地采集在传输人们的电力导线周围研究,如电机连接的导线,这个传感器就能自动收集并存储能量,用于监测电机的温度。91iednc

麻省理工学院电子工程与计算机科学(EECS)教授、机械工程教授,电子实验室的成员,以及能量收集传感器论文的高级作者Steve Leeb表示:“这是环境能源,我消耗了特定的焊接连接可以获取能量。这使得这种传感器非常容易安装。”91iednc

该论文在IEEE传感器期刊的一月份专题文章中发表,研究人员提供了一个能量收集传感器的设计指南,让工程师在环境中的可用能量和感测需求之间取得平衡。91iednc

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该论文提出了一个设备的关键部件的路线图,该设备能够在运行时获取和控制能量流。91iednc

该功能设计框架不仅可以收集磁场能量的传感器,还可以评估使用其他能源来源(如振动或阳光)的传感器。它可以用于构建工厂、仓库和商业空间的传感器网络,安装和维护成本问题。91iednc

需应对三个关键挑战

研究人员必须应对三大挑战,才能开发出一种有效的无电池能量收集传感器。91iednc

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。他们利用集成电路和晶体管网络实现了这一点,使系统能够储存能量,直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量,可以完全运行时,它才会启动。91iednc

其次,该系统必须在不使用电池的情况下,有效地储存和转换所获得的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池,但这会增加系统的复杂性,并可能带来火灾风险。91iednc

"你可能连派技术人员去更换电池的奢望都没有。相反,我们的系统是免维护的。Monagle 补充道。91iednc

为了避免使用电池,他们采用了内部储能技术,包括一系列电容器。电容器比电池更简单,它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由多种材料制成,其功能可根据一系列工作条件、安全要求和可用空间进行调整。91iednc

研究小组精心设计了电容器,使其足够大,能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量,但又足够小,以免充电阶段耗时过长。91iednc

此外,由于传感器可能会在数周甚至数月后才开启进行测量,因此他们确保电容器能够保持足够的能量,即使有些能量会随着时间的推移而泄漏。91iednc

最后,他们还开发了一系列控制算法,用于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界面的 "大脑",它不断检查储存了多少能量,并推断是否要打开或关闭传感器、进行测量,或者将收割机调到更高的档位,以便收集更多能量,满足更复杂的传感需求。91iednc

利用这一设计框架,他们为一个现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备收集磁场能量,并利用磁场能量不断采样温度数据,然后通过蓝牙将数据发送到智能手机接口。91iednc

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研究人员使用超低功耗电路设计该设备,但很快发现,这些电路在崩溃前可承受的电压有严格限制。收集过多电能可能导致设备爆炸。91iednc

为了避免这种情况,他们在微控制器中安装了能量收集器操作系统,一旦存储的能量过多,该系统就会自动调整或减少能量收集。91iednc

未来,研究人员计划探索能耗较低的数据传输方法,例如使用光学或声学。他们还希望更严格地模拟和预测进入系统的能量,或传感器测量所需的能量,以便设备能有效地收集更多数据。91iednc

参考原文:Self-powered sensor automatically harvests magnetic energy91iednc

责编:Demi
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