麻省理工學(xué)院取得突破，自給自足傳感器從空氣中獲取能量

數(shù)十年來，電池的限制一直制約著我們對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進行監(jiān)測的方式和地點。想象一下這樣的情景：嵌入在船舶發(fā)動機內(nèi)部的傳感器能夠提供實時數(shù)據(jù)，而無需繁瑣的電線或電池更換。由于麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員取得的一項突破性進展，這種看似未來主義的愿景離現(xiàn)實更近了一步：他們開發(fā)了一種完全自給自足的傳感器。

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種傳感器，它可以從周圍環(huán)境中獲取能量，而無需電池或有線連接。這種傳感器可用于監(jiān)測難以觸及的地方的機器的性能和效率，比如船舶發(fā)動機內(nèi)部。

這款傳感器是一種溫度傳感器，可以夾在攜帶電流的電線上，比如驅(qū)動電機的電線。傳感器然后可以捕獲電線中電流產(chǎn)生的磁場能量，并用于測量電機的溫度。

“這是環(huán)境電源——我不必進行特定的、焊接連接就能獲取能量。這使得這種傳感器非常容易安裝，”該論文的高級作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)和機械工程教授史蒂夫·李博士說。

這篇論文發(fā)表在IEEE Sensors Journal的1月刊中，描述了創(chuàng)建這種無電池、自給自足傳感器的設(shè)計原理和挑戰(zhàn)。

能量收集傳感器的路線圖研究人員提供了一個設(shè)計指南，幫助工程師平衡環(huán)境中的可用能量與設(shè)備的傳感需求。該指南涵蓋了傳感器的關(guān)鍵組成部分，如能量收集器、能量存儲、電源管理、傳感電路和通信模塊。

該傳感器可以在運行過程中持續(xù)感知和控制能量流，并將多余的能量存儲以備后用。傳感器還可以進行冷啟動，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，使用集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò)。

這個設(shè)計框架不僅局限于使用磁場能量的傳感器，還可以應(yīng)用于使用其他能源源，如振動或陽光的傳感器。研究人員設(shè)想，這一框架可以實現(xiàn)各種應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如工廠、倉庫和商業(yè)空間，這樣的網(wǎng)絡(luò)更便宜、更容易安裝和維護。

“我們提供了一個無電池傳感器的示例，展示了它是一個有用的實際可行解決方案?，F(xiàn)在，希望其他人能夠使用我們的框架推動設(shè)計他們自己的傳感器，”該論文的第一作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)研究生丹尼爾·蒙納格爾說。

對船舶系統(tǒng)的潛在解決方案這種無電池、能量收集傳感器對于監(jiān)測船舶系統(tǒng)可能也有影響，美國海軍學(xué)院武器與控制工程副教授約翰·唐納爾說，他未參與這項工作。

唐納爾表示，在船上獲取電源可能很困難，因為插座很少，對于可以插入什么設(shè)備有嚴格的限制。他表示，例如測量泵的振動可以提供軸承和支架健康的實時信息，但為了給后期安裝的傳感器供電，需要太多額外的基礎(chǔ)設(shè)施。

“這樣的能量收集系統(tǒng)可能使在船上后期安裝各種診斷傳感器成為可能，并顯著降低維護的總體成本，”唐納爾說。

一個無需維護的系統(tǒng)研究人員還解釋了他們是如何避免使用電池的，因為電池會給傳感器增加復(fù)雜性和安全風(fēng)險。相反，他們內(nèi)置了內(nèi)部能量存儲，包括一系列電容器。電容器比電池更簡單，因為它們將能量存儲在導(dǎo)電板之間的電場中。它們可以由不同的材料制成，并調(diào)整到不同的工作條件、安全要求和可用空間。

團隊精心設(shè)計了電容器，使其足夠大，以存儲設(shè)備啟動并開始收集能量所需的能量，但又足夠小，使得充電階段不會太長。

他們還確保電容器能夠在時間推移中即使有能量泄漏也能夠存儲足夠的能量，因為傳感器可能在數(shù)周或數(shù)月之前才開始進行測量。

“你甚至可能沒有奢侈派出一名技術(shù)員來更換電池。相反，我們的系統(tǒng)是無需維護的。它可以獲取能量并自己運行，”蒙納格爾說。

智能能源管理研究人員還開發(fā)了一系列控制算法，動態(tài)地測量和預(yù)算設(shè)備收集、存儲和使用的能量。微控制器是能量管理界面的“大腦”，不斷檢查存儲了多少能量，并推斷是將傳感器打開還是關(guān)閉、進行測量還是將收集器加速到更高檔位，以便進行更復(fù)雜的感測需求。

他們使用這個設(shè)計框架為一款現(xiàn)成的溫度傳感器設(shè)計了一個能量管理電路。該設(shè)備利用磁場能量不斷采樣溫度數(shù)據(jù)，并通過藍牙將其發(fā)送到智能手機界面。

研究人員使用了超低功耗電路設(shè)計了這個設(shè)備，但很快發(fā)現(xiàn)這些電路在斷電之前能夠承受的電壓有嚴格的限制。收集過多的能量可能導(dǎo)致設(shè)備爆炸。

為了避免這種情況，微控制器中的能量收集系統(tǒng)會在存儲的能量過多時自動調(diào)整或減少收集。他們還發(fā)現(xiàn)，通信——傳輸溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)——是最耗電的操作。

“確保傳感器具有足夠的存儲能量來傳輸數(shù)據(jù)是一個不斷的挑戰(zhàn)，需要仔細設(shè)計，”蒙納格爾說。

未來發(fā)展研究人員計劃探索傳輸數(shù)據(jù)的能耗更低的手段，例如光學(xué)或聲學(xué)。他們還希望更加嚴密地對系統(tǒng)可能收到多少能量或傳感器可能需要多少能量來進行測量進行建模和預(yù)測，以便設(shè)備可以更有效地收集更多數(shù)據(jù)。

“如果你只做你認為需要的測量，你可能會錯過一些真正有價值的東西。有了更多的信息，你可能會了解到關(guān)于設(shè)備操作的一些意外的東西。我們的框架可以幫助你平衡這些考慮，”李博士說。