Un sensor autoalimentado recolecta automáticamente energía magnética | MIT News

Investigadores del MIT han desarrollado un sensor que se autoalimenta sin necesidad de baterías. que puede recolectar energía del medio ambiente

Esto se debe a que no hay baterías que deban cargarse o reemplazarse. y porque no se requiere cableado especial Por lo tanto, estos sensores pueden integrarse en lugares de difícil acceso, como por ejemplo en el interior del motor de un barco. Allí se pueden recopilar automáticamente datos sobre el uso de energía y el funcionamiento de la máquina durante largos períodos de tiempo.

Los investigadores han creado un dispositivo sensor de temperatura que recopila energía de campos magnéticos creados al aire libre alrededor de un cable. Podemos colocar sensores alrededor de cables que transportan electricidad. Este podría ser el cable que suministra energía al motor. Y los sensores recolectan y almacenan energía automáticamente. que se utiliza para controlar la temperatura del motor

“Esta es energía ambiental, energía para la cual no necesito hacer conexiones de soldadura específicas. Y eso hace que este sensor sea muy fácil de instalar”, dijo Steve Leeb, profesor Emanuel E. Landsman de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y profesor de ingeniería mecánica. , miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica y autor principal de un artículo sobre sensores de recolección de energía.

En el artículo, que apareció como artículo destacado en la edición de enero de Diario de sensores IEEELos investigadores proponen un enfoque de diseño de sensores de recolección de energía que ayuda a los ingenieros a equilibrar la energía disponible en el medio ambiente con sus necesidades de detección.

Este documento establece una hoja de ruta para los componentes clave del dispositivo que pueden detectar y controlar continuamente el flujo de energía durante el funcionamiento.

El marco de diseño versátil no se limita a sensores que recolectan energía del campo magnético. Y se puede aplicar a sensores que utilizan otras fuentes de energía, como la vibración o la luz solar. Se puede utilizar para crear redes de sensores para fábricas, almacenes y espacios comerciales que sean menos costosos de instalar y mantener.

“Hemos proporcionado ejemplos de sensores sin batería que hacen cosas útiles. Y demuestra que esta es una solución práctica. Ahora otras personas Esperamos utilizar nuestro marco para comenzar a diseñar nuestros propios sensores”, dijo el autor principal Daniel Monagle, estudiante graduado de EECS.

A Monagle y Leeb se les unió el estudiante graduado de EECS, Eric Ponce, en un informe.

John Donnal, profesor asociado de ingeniería de controles y armas en la Academia Naval de los Estados Unidos que no está relacionado con este trabajo Estudiar técnicas para inspeccionar los sistemas de los barcos, dijo: El acceso a la electricidad en un barco puede resultar difícil. Esto se debe a que hay muy pocas tomas de corriente y límites estrictos sobre los dispositivos que se pueden conectar a ellas.

“Medición continua de vibraciones de bombas Puede proporcionar a la tripulación información en tiempo real sobre el estado de los rodamientos y soportes. Pero alimentar sensores modernizados a menudo requiere tanta infraestructura adicional que la inversión no vale la pena”, añade Donnal. y reducir en gran medida los costos generales de mantenimiento”.

Instrucciones prácticas

Los investigadores se enfrentaron a tres retos principales a la hora de desarrollar un sensor de captación de energía eficiente y sin batería.

En primer lugar, el sistema debe poder arrancar en frío. Esto significa que el sistema puede arrancar dispositivos electrónicos sin tensión de arranque. Lo logran con una red de circuitos integrados y transistores que permite al sistema almacenar energía hasta que se alcanza un cierto umbral. El sistema sólo se enciende cuando se ha almacenado suficiente energía para funcionar a plena capacidad.

En segundo lugar, el sistema debe almacenar y convertir eficientemente la energía recibida. sin usar pilas Aunque es posible que los investigadores también hayan incluido baterías. Pero añade complejidad al sistema y puede suponer un riesgo de incendio.

“Es posible que ni siquiera puedas darte el lujo de enviar a un técnico para reemplazar la batería. Pero nuestro sistema no requiere mantenimiento. Recoge energía y funciona por sí solo”, añadió Monagle.

Para evitar el uso de la batería Por tanto, el dispositivo incluye un sistema interno de almacenamiento de energía que puede incluir una serie de condensadores. Más fácil que las baterías Un condensador almacena energía en un campo eléctrico entre placas conductoras. Los condensadores se pueden fabricar a partir de una variedad de materiales. Y la capacidad del condensador se puede ajustar para adaptarse a las condiciones de funcionamiento. Requerimientos de seguridad y varios espacios vacíos

El equipo diseñó cuidadosamente el condensador para que fuera lo suficientemente grande como para almacenar la energía que el dispositivo necesita para encenderse y comenzar a recolectar energía. Pero es lo suficientemente pequeño como para que el proceso de carga no demore demasiado.

Además, debido a que los sensores pueden tardar semanas o meses antes de que se habilite la medición, Esto asegura que el condensador pueda almacenar suficiente energía. Incluso si se filtra con el tiempo.

Finalmente, desarrollaron un conjunto de algoritmos de control que miden y asignan dinámicamente la energía recolectada, almacenada y utilizada por el dispositivo. El microcontrolador, que es el «cerebro» de la interfaz de administración de energía, monitorea continuamente la cantidad de energía almacenada. y deduce si encender o apagar los sensores, tomar medidas o cambiar la cosechadora a una marcha más alta para que pueda recolectar más energía para Demanda de una detección más compleja

“Como cuando cambias de marcha en una bicicleta. La interfaz de gestión de energía ve cómo funciona la cosechadora. Básicamente, vea si el efecto es demasiado fuerte o demasiado débil. Luego cambia electrónicamente la carga para que se pueda maximizar la cantidad de energía. Se trata de cosechar y adaptar la cosecha según las necesidades de los sensores”, explica Monagle.

sensores autoalimentados

Utilizaron este marco de diseño para crear un circuito de administración de energía para un sensor de temperatura disponible comercialmente. El dispositivo recolecta energía del campo magnético y la utiliza para muestrear continuamente datos de temperatura. Este se envía a la interfaz del teléfono inteligente mediante Bluetooth.

Los investigadores utilizaron circuitos de potencia ultrabaja para diseñar el dispositivo. Pero rápidamente se descubrió que estos circuitos tenían límites estrictos en cuanto al voltaje que podían soportar antes de fallar. Recolectar demasiada energía puede hacer que el dispositivo explote.

Para evitar este problema El sistema operativo del recolector de energía en el microcontrolador ajusta o reduce automáticamente la recolección si la cantidad de energía almacenada se vuelve excesiva.

También descubrieron que la comunicación, que transmite datos recopilados por sensores de temperatura, es la operación que consume más energía.

«Garantizar que los sensores tengan suficiente potencia para transmitir datos es un desafío continuo que implica un diseño cuidadoso», dijo Monagle.

En el futuro, los investigadores planean explorar métodos para transmitir información que utilicen menos energía, como el uso de la óptica o la acústica. También quieren construir modelos más rigurosos y predecir la cantidad de energía que podría ingresar al sistema. o la energía que el sensor puede requerir para medir. Para que el dispositivo pueda recopilar más datos de manera eficiente.

“Si sólo tomas las medidas que crees necesarias, Podrías perderte algo realmente valioso. con información adicional Es posible que pueda aprender cosas que no esperaba sobre cómo funciona su dispositivo. Nuestro marco le ayuda a equilibrar esas consideraciones”, dijo Leeb.

“En este artículo está bien documentado qué práctico nodo de sensor autónomo se debe utilizar internamente en situaciones realistas. Pautas generales de diseño. Especialmente en lo que respecta a los problemas de arranque en frío, es muy útil”, afirmó Jinyeong Moon, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Florida. que no está relacionado con este trabajo. “Los ingenieros que planeen diseñar módulos autoalimentados para nodos de sensores inalámbricos se beneficiarán enormemente de estas directrices. Elimina fácilmente la lista de verificación asociada con los tradicionales y difíciles arranques en frío”.

Este trabajo fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Granger.

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