由於它不需要必須充電或更換的電池，並且不需要特殊的接線，因此這種感測器可以嵌入難以到達的地方，例如船舶引擎的內部運作內部。

在那裡，它可以自動收集機器長時間的功耗和運行數據。

研究人員建造了一種溫度感測裝置，可以從電線周圍露天產生的磁場中收集能量。人們只需將感測器夾在一根帶電的電線上（也許是為馬達供電的電線），它就會自動收集和儲存能量，用於監測馬達的溫度。

「這是環境能量，我無需進行特定的焊接連接即可獲得能量。這使得該感測器非常易於安裝，」電氣工程與電腦教授 Steve Leeb 說道。 ，以及能量收集感測器論文的高級作者。

論文中，這是發表作為一月號的專題文章IEEE 感測器雜誌，研究人員提供了能量收集感測器的設計指南，使工程師能夠平衡環境中的可用能量與他們的感測需求。

該論文為設備的關鍵組件製定了路線圖，該設備可以在運行過程中持續感知和控制能量流。

多功能設計框架不僅限於收集磁場能量的感測器，還可以應用於使用其他電源（例如振動或陽光）的感測器。它可用於為工廠、倉庫和商業空間建立感測器網絡，安裝和維護成本較低。

「我們提供了一個無電池感測器的範例，它可以做一些有用的事情，並表明它是一個實際可行的解決方案。現在其他人希望使用我們的框架來設計自己的感測器，」主要作者丹尼爾說Monagle，EECS 研究生。EECS 研究生 Eric Ponce 與 Monagle 和 Leeb 一起撰寫了這篇論文。

美國海軍學院武器與控制工程副教授約翰唐納爾（John Donnal）並未參與這項工作，他研究的是監控船舶系統的技術。他說，在船上獲得電力可能很困難，因為插座很少，而且對可以插入的設備也有嚴格的限制。

「例如，持續測量泵浦的振動可以為工作人員提供有關軸承和安裝座健康狀況的即時信息，但為改造感測器供電通常需要大量額外的基礎設施，因此投資不值得，」唐納爾補充道。“像這樣的能量收集系統可以改造船上的各種診斷感測器，並顯著降低整體維護成本。”

操作指南

研究人員必須應對三個關鍵挑戰才能開發出一種有效的、無電池的能量收集感測器。

首先，系統必須能夠冷啟動，這意味著它可以在沒有初始電壓的情況下啟動其電子設備。他們透過集成電路和晶體管網路實現了這一目標，該網路允許系統儲存能量直到達到某個閾值。系統只有在儲存了足夠的電量以完全運作後才會啟動。

其次，系統必須有效地儲存和轉換所收集的能量，並且無需電池。雖然研究人員可以添加電池，但這會增加系統的複雜性，並可能造成火災風險。

「您甚至可能沒有能力派技術人員來更換電池。相反，我們的系統是免維護的。它會收集能量並自行運行，」Monagle 補充道。

為了避免使用電池，它們採用了內部儲能裝置，其中包括一系列電容器。電容器比電池更簡單，它在導電板之間的電場中儲存能量。電容器可以由多種材料製成，其功能可根據一系列操作條件、安全要求和可用空間進行調整。

團隊精心設計了電容器，使其足夠大，可以儲存設備打開並開始收集電力所需的能量，但又足夠小，充電階段不會花費太長時間。

此外，由於感測器可能需要幾週甚至幾個月的時間才能打開進行測量，因此他們確保電容器能夠保持足夠的能量，即使隨著時間的推移而洩漏一些能量。

最後，他們開發了一系列控制演算法，動態測量和預算設備收集、儲存和使用的能量。微控制器是能源管理介面的“大腦”，不斷檢查儲存了多少能量，並推斷是否打開或關閉感測器、進行測量或將收割機調到更高的檔位，以便收集更多的能量更複雜的感測需求。

「就像當你在自行車上換檔時，能量管理介面會查看收割機的工作情況，主要是查看它是否踩得太猛或太軟，然後它會改變電子負載，以便最大限度地提高功率它正在採集並將採集的數據與感測器的需求相匹配，」Monagle 解釋道。

自供電感測器

使用此設計框架，他們為現成的溫度感測器建立了能量管理電路。設備收穫磁場能量並用它來連續採樣溫度數據，然後使用藍牙將其發送到智慧型手機介面。

研究人員使用超低功耗電路來設計該設備，但很快就發現這些電路對其在擊穿前能夠承受的電壓有嚴格的限制。收集過多的能量可能會導致設備爆炸。

為了避免這種情況，如果儲存的能量過多，微控制器中的能量採集作業系統會自動調整或減少採集。

他們還發現，通訊（傳輸溫度感測器收集的數據）是迄今為止最耗電的操作。

「確保感測器有足夠的儲存能量來傳輸數據是一個持續的挑戰，需要仔細的設計，」Monagle 說。

未來，研究人員計劃探索能源密集度較低的資料傳輸方式，例如使用光學或聲學。他們還希望更嚴格地建模和預測有多少能量可能進入系統，或有多少能量活力感測器可能需要進行測量，以便設備可以有效地收集更多數據。「如果您只進行您認為需要的測量，您可能會錯過一些真正有價值的東西。透過更多信息，您可能能夠了解一些您沒有想到的有關設備操作的信息。我們的框架可以讓您平衡這些考慮因素，」Leeb說。

「這篇論文詳細記錄了實用的自供電感測器節點在實際場景中的內部需求。整體設計指南，特別是冷啟動問題，非常有幫助，」電氣學助理教授 Jinyoon Moon 說。計算機工程人員沒有參與這項工作。

“計劃為無線感測器節點設計自供電模組的工程師將從這些指南中受益匪淺，輕鬆完成傳統上繁瑣的冷啟動相關檢查表。”

更多資訊：

Daniel Monagle 等人，《規則焦耳：自供電感測器的能源管理設計指南》，IEEE 感測器雜誌（2023）。DOI：10.1109/JSEN.2023.3336529這個故事由麻省理工學院新聞轉載（

web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。引文