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无需电池、自供电,MIT开发出新型传感器

Felix分析 来源:电子发烧友网 作者:吴子鹏 2024-01-24 00:05 次阅读

电子发烧友网报道(文/吴子鹏)近日,麻省理工学院(MIT)的研究人员发表论文称,该团队开发出了一种无需电池、自供电传感器,可以从环境中获取能量。由于它不需要必须充电或更换电池,也不需要特殊的布线,这种传感器可以被嵌入到难以触及的地方,比如船舶发动机的内部结构中。

论文作者之一、MIT电气工程与计算机科学和机械工程教授史蒂夫·李博士指出,“这款传感器从环境电源中获取能量,并且不需要额外的特殊装置。”

论文第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生丹尼尔·蒙纳格尔表示:“我们提供了一个无电池传感器的范例,它能做一些有用的事情,并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。”

MIT的自供电传感器

根据论文,MIT研究团队设计一种环境感应装置,它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量,然后给温度传感器供电,而无需电池或有线连接。

这款自供电的传感器共分为以下几个部分:能量收集器、能量存储、电源管理、传感电路和通信模块。为了避免使用电池,这款传感器采用了内部储能技术,包括一系列电容器。为了让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,研究团队重新设计了电容器,这款电容器不需要太长时间就可以充满电。

同时,这款传感器对电流有精准的控制——可以在运行过程中持续感知和控制能量流,并将多余的能量存储以备后用。该研究团队还为此专门设计了控制算法,这个算法能够动态地测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器和算法配合,成为整个传感器的大脑,主要负责能量的检测,以及决定什么时候打开和关闭传感器。

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图源:MIT论文


为了让传感器能够利用储存的能量稳定工作,MIT研究团队在设计这款传感器时主要采用超低功耗的电路设计,并且配合精密算法来控制设备,防止因为收集能量过多而爆炸。针对这款传感器,研究团队认为,未来优化方向之一是探索传输数据的能耗更低的手段,例如光学或声学,进一步降低系统的能耗。

能量收集技术的发展

毫无疑问,MIT这款传感器是能量收集技术的一个典型应用。能量收集技术能够从自然环境中获取能量,而并非依赖电池或其他类型所产生的电力。能量收集的类型有很多,光能、温差、振动、射频RF)等能量都可以成为能量源。

上面提到了磁场能量变化的收集,其实其他类型的能量收集也是类似。比如,温差能量(TEG)采集,其主要原理为赛贝克效应,热电发生器(TEG)中的温差可产生电势,从而将热源中的废热转换为电能,由于产生热能条件的特殊性,其不必像光能那样,采集能量的多与少完全取决于设备所处环境中的光线强度。

根据Grand View Research的分析数据,2022年全球能源收集系统市场规模为6.4661亿美元,预计到2030年将达到15.039亿美元,2022年至2030年的复合年增长率(CAGR)为11.13%。市场的增长主要源于物联网不断增长的应用,包括智能城市、智能家居工业物联网(IIoT)和机器对机器(M2M)通信等。

不过,能量收集技术虽然提出很多年了,不过仍需要克服一些挑战。正如ADI公司在技术博文中提到的,由于能源的多样性,系统必须对其进行转换、调节和控制。另外,还需要适当的保护电路和储能单元,避免受到高压或功率尖峰的影响。由于能源提供的能量通常非常微弱,电子设备必须具有很高的工作效率。这些挑战在MIT的设计中也得到了印证。这些挑战就会导致出现不能保证数据采集的精确度,很难在其上面扩展功能,设备难以和平台形成交互等问题。

不过,物联网设备用量仍然在爆发,且很多设备的安装需要能量收集技术这种创新技术,因此值得持续推进。

后记

据Statista统计数据,2022年全球物联网市场规模达到9702.2亿美元,2022年全球IoT链接设备数量达到143亿台。随着物联网设备数量增加,维护会是一个很大的挑战,其中换电池也是维护的一种,能量收集技术则能够帮助解决这个痛点。

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