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潮科技MIT开发水下压电传感器兼具能量采集和无线电功能

编者按:本文来自微信大众号“MEMS”(ID:MEMSensor),作者麦姆斯咨询殷飞,36氪经授权发布。

MIT研讨人员开发了一种浸没传感体系,运用“压电”资料的振荡发作电能发送和接纳数据。

为了研讨掩盖地球大部分面积但还未开发的海洋,研讨人员期望打造一种水下“物联网”,即树立一个水下互联的传感器网络,将传感器捕获的数据发送到水面。不过,怎么为许多浸没水底的传感器继续供能,使它们在海洋深处长时间作业呢?

据麦姆斯咨询报导,麻省理工学院(MIT)的研讨人员找到了一个答案:一种无需电池、零功耗传输传感器数据的水下通讯体系。该体系能够用于监测海洋温度,研讨气候改变,长时间盯梢海洋生物,乃至能够在悠远的外星球水体中搜集数据。

该体系运用了两种关键技能。一种被称为“压电效应”,在某些资猜中振荡能够发作电荷。另一种是“反向散射”,一种常用的RFID标签通讯技能,它经过将调制的无线信号从RFID标签反射回读取器来传输数据。

在MIT研讨人员规划的体系中,发射器在水中将声波发送到存储数据的压电传感器。当声波传递到传感器时,压电资料振荡发作电荷,并存储在压电传感器中。然后,传感器运用存储的能量将波反射回接纳器(也能够不宣告反射波)。对应发送数据中的比特信号,以上述办法进行替换反射:关于反射波,接纳器解码为1;而没有反射波,接纳器解码为0。

MIT研讨人员创造的无电池水下“压电”传感器

“一旦找到发送1和0信号的办法,咱们就能够发送任何信息。基本上,咱们能够仅依托传入声响信号的能量,与水下传感器进行通讯。”该研讨论文一起作者Fadel Adib说。Adib是MIT媒体试验室、电气工程与计算机科学系助理教授,以及信号动力学研讨组开创主任。

研讨人员在MIT试验池中演示了他们规划的压电声学反向散射体系,用它来搜集水温数据和压力丈量。该体系能够在相距10米的传感器和接纳器之间,以每秒3千字节的速率一起传输来自两个传感器的的准确数据。

该体系不只能够在地球上运用,Adib表明,该体系还可用于搜集土星最大的卫星——土卫六(Titan)上最近发现的海洋的数据。本年6月,美国宇航局宣告了“Dragonfly”太空使命,方案于2026年发送一辆漫游者勘探土卫六,搜集其海洋和其他地址的数据。

“咱们怎么将传感器安放在土卫六的水体下,在这样难以获取能量的当地继续地长时间作业?”Adib说,“咱们开发的这种无需电池通讯的传感器,为极点环境中的传感运用供给了或许。”

当Adib在家观看“蓝色星球”(一部探究海洋生物的闻名纪录片)时,受到了启示。海洋掩盖了地球表面约72%的面积。“我忽然意识到咱们对海洋的知道如此藐小,咱们还不清楚许多海洋动物是怎么进化和繁衍的,”他说。物联网(IoT)设备能够协助这项研讨,“但在海平面下,咱们无法运用Wi-Fi或蓝牙信号……而且,咱们不能把电池投入海洋,因为这会引起污染问题。”

这使Adib想到了压电资料,这种资料现已存在约150年,已在麦克风和其他传感器中运用。它们能够呼应振荡发作细小的电压。而且,这种特性也是可逆的,对压电资料施加电压能够导致资料形变。假如将压电资料置于水下,运用该效应能够发作在水中传达的压力波。这一般可用于勘探淹没的船舶、鱼类和其他水下物体。

“这种可逆的压电特性使咱们能够开宣告十分强壮的水下反向散射通讯技能。”Adib说。

该体系的中心包含一个浸没水下的节点,一个包容压电谐振器的电路板,一个能量搜集单元和一个微控制器。经过编程微控制器,能够将任何类型的传感器集成到节点中。水声发作器(发射器)和水下听音设备(水听器,即接纳器)放置在必定间隔之外。

假如传感器想要发送一个“0”信号。当发射器在节点处发送声波时,压电谐振器吸收波并发作形变振荡,能量搜集器存储振荡所发作的电荷。接纳器没有接纳到反射信号,解码为“0”信号。

当传感器想要发送“1”信号时,情况就发作了改变。当发射器发送声波时,微控制器运用存储的电荷向压电谐振器施加必定的电压。该电压从头定向资料的结构阻挠资料形变,转而反射波。接纳器感应到反射波,解码为“1”信号。

长时间深海传感

发射器和接纳器有必要供电,但它们能够安顿在船上或浮标上,这些当地更简单替换电池,或许直接衔接供电插座。一个发射器和一个接纳器能够掩盖一个或许多区域,搜集许多传感器搜集的信息。

“例如,当咱们盯梢一只海洋动物时,需求长时间大范围地盯梢,期望将传感器一向保持在它们的身上,而无需考虑电池耗尽的问题。”Adib说,“或许,咱们需求盯梢海洋中的温度梯度,能够从掩盖许多方位的传感器捕捉数据。”

另一个风趣的运用是监测海底的卤水池,卤水池中的海水盐度比周围海水要高,难以长时间监测。例如,在南极陆架上因为海冰构成期间的盐沉降构成的卤水池。研讨它们能够协助研讨冰消融以及海洋生物与卤水池的相互作用。“咱们能够长时间继续地感知那里正在发作的情况,而不需求常常把传感器拉上来替换电池,”Adib说。

台湾国立大学电子工程系教授Polly Huang对这项技能的新颖性和对环境科学的潜在影响表明欣赏。“这个立异很帅,”Huang说,“运用压电晶体来获取能量并不新鲜。但这是第一次看到压电晶体在搜集能量的一起被用作无线电,这在传感网以及传感体系研讨范畴史无前例。此外,其硬件规划和制作也很共同,电路和封装规划既合理又风趣。”

虽然该体系还需求进一步的试验,尤其是在海水中,Huang弥补说:“这或许是海洋列传、海洋学乃至气象学研讨人员急需的终极解决方案,这些运用都需求长时间、低干涉的水下传感。”

接下来,研讨人员将验证该体系在更远的间隔作业,一起与更多传感器通讯。他们还期望测验该体系是否能传输声响和低分辨率图画。

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