西南交通大学Nano Energy：一种自驱动无线智能传感器

原标题：西南交通大学Nano Energy：一种自驱动无线智能传感器【引言】列车的安全检测如今逐渐成为了高速列车发展一个重要的方面。但是对传感器了通讯电子设备来讲，传统的检测手段需要外部电源，如锂电池、电容等，来为其进行供电。随着时间的推移，这种传统的供电方式越发不实用，并且会有大量复杂的布线。不仅如此，由于电池寿命等问题，还会产生潜在的环境危害。从这方面来讲，一种理想的解决方案就是用一种能量收集装置来代替电池，来实现自驱动的安全监测系统。近日，西南交通大学杨维清教授（通讯作者）发明了一种自驱动无线智能传感器，创新性地利用磁悬浮原理巧妙地结合了摩擦发电机和电磁发电机。一方面多孔PTFE作为摩擦发电机的摩擦层增强了摩擦电效应，另一方面，磁悬浮的巧妙设计可以有效地减小运动过程中的能量损耗，更大程度地将机械能转换为电能。在电性能输出方面，仅用350秒就可以将0.1F的超级电容从0V充到3V，同时也可以有效地为锂电池充电。通过阵列的复合发电机可以持续地为无线智能传感器供电，并实时地将数据传输到智能手机上，实现了物联网（IoT）技术在高速列车检测系统中的应用。这为列车的安全监测提供了一个新的思路，并实现了物联网与高速列车的一个有机结合。相关工作以题为“Self-Powered Wireless Smart Sensor Based on Maglev Porous Nanogenerator for Train Detection System”发表到Nano Energy上Doi: 10.1016/j.nanoen.2017.05.018。图一 应用于列车检测系统的自供电无线智能传感器的结构设计a. 在列车运行过程中利用从列车振动中转换的能量。b. 列车转向架图片。c. 安装在列车转向架上的复合发电机阵列。d. 传感器图片。e. 电源管理电路。f. 一个完整的复合发电机图示和详细的具体结构。g. SEM图像显示聚四氟乙烯聚合物多孔结构。图二 发电机电能产生过程a. 包含TENG和EMG在内的复合发电机原理图b. COMSOL多物理场模拟电磁发电过程c. COMSOL多物理场模拟摩擦发电过程图三 发电机的输出电性能a. TENG不同的外部负载电阻上的输出电压和电流信号b. EMG不同的外部负载电阻上的输出电压和电流信号c. TENG在不同的外部负载电阻上的功率密度d. EMG在不同的外部负载电阻上的功率密度e. TENG在干燥与清水冲洗后的环境下的短路电流和开路电压f. EMG在干燥与清水冲洗后的环境下的短路电流和开路电压g. 在干燥环境下用发电机点亮的LED灯泡h. 在清水冲洗后的环境下用发电机点亮的LED灯泡图四 发电机为锂电池和超级电容充电的性能a. 电源管理的电路图。b. 为不同的超级电容充电的电压曲线。c. 图(b)中的放大图。d. 为锂电池充电的电压曲线。e. 复合发电机不同部分的质量占比。图五 复合发电机驱动无线智能传感器的展示a. 复合发电机阵列图片b. 复合发电机阵列可以被弯曲c. 传感器的图片d. 发电机连接在7mF的超级电容上为无线传感器供电的电压曲线e. 图(d)的部分放大图f. 传感器开始工作的正常状态g. 对传感器进行加热后的状态h. 对传感器进行加湿后的状态【小结】该工作展示了一个复合发电机，包括一个TENG和一个EMG，用来收集火车的振动能量，以持续地为无线智能传感器供电。无线智能传感器可以将数据传输到手机上，显示温度和湿度。更重要的是，MPNG还可以为照明提供电力，作为应急电源。这种设计的MPNG有可能在没有外部电源的情况下进行无线监控，尤其是在列车监控系统中。文献链接：Self-Powered Wireless Smart Sensor Based on Maglev Porous Nanogenerator for Train Monitoring System (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.018)本文由西南交通大学杨维清老师组靳龙同学投稿（点我查看课题组简介），新能源组 深海万里 编辑整理。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。ID：icailiaoren