Ida
5 °C
7 °C

Önellátó érzékelőhálózatokat terveztek az EK kutatói

2021.03.24. 10:10
Az eszközök környezeti termikus, illetve vibrációs forrásokból nyernek energiát, és új típusú, rendkívül alacsony fogyasztású rádiófrekvenciás átvitellel kommunikálnak.

Speciális körülmények között is alkalmazható, új technológiákon alapuló, akkumulátor és vezeték nélküli, hálózatban kommunikáló érzékelőegységeket fejlesztett az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (EK MFA) és a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. együttműködésével létrejött konzorcium. Az új eszközöket többek között különféle gépek és közlekedési infrastruktúrák állapotának monitorozására, a kerékpáros-forgalom vizsgálatára, valamint járműirányítási rendszerekben lehet használni.

Egyre több érzékelő gondoskodik arról, hogy az élet számos területén megfelelő információkhoz jussunk, például gyárakban, közlekedési infrastruktúrák környezetében vagy mezőgazdasági területeken. Ezeket az eszközöket azonban gyakran olyan helyekre kell telepíteni, 

ahol a vezetékes tápellátás, vagy - vezeték nélküli eszköz esetében - az akkumulátorok cseréje nem valósítható meg,

vagy pedig a művelet nagyon költséges. Erre jelent megoldást a környezeti energiaforrásokat kiaknázó „energiagyűjtés” (energy harvesting – EV) módszere. Az elérhető energiasűrűség azonban jellemzően alacsony, emellett intenzitása helytől és időtől függően is erősen változik. A konzorciumi projekt célja tehát olyan megoldások kidolgozása volt, melyek ennek ellenére, az adott körülmények között is megbízhatóan működnek, ugyanakkor rendkívül takarékosak.

A gumi belsejébe szerelt rendszer
A gumi belsejébe szerelt rendszer
Fotó: Eötvös Loránd Kutatási Hálózat

Az alapkutatások célja új típusú vibrációs energiagyűjtők, valamint multifrekvenciás szelektív gyorsulásmérők tervezése és megvalósítása volt. A hagyományos, nemrezonáns gyorsulásmérők ugyan széles frekvenciatartományban érzékelnek egyszerre, de érzékenységük nem mindig elegendő, és működésük tápellátást igényel. Az EK kutatóinak megoldása erre egy 30 lépéses, szilícium-technológián (Si-technológia) alapuló, két ponton felfüggesztett, Fermat-spirál alakú membránszalag volt, amelynek felső elektródája nyolc szegmensből áll. A multielektródos működési elv helyességét rázógépes tesztekkel igazolták a szakemberek. A nagyobb szenzorjel és villamos teljesítmény kinyerése érdekében Si-technológiával kompatibilis, magas piezoelektromos állandóval rendelkező ScAlN-rétegeket (szkandium-alumínium-nitrid) is vizsgáltak. A piezoelektromos együtthatót sikerült ötszörösre növelniük, amely nemzetközi összehasonlításban is magas értéknek számít.

Az elektromágneses energiakinyerő alkalmazáshoz kétféle széles sávú antennastruktúrát készítettek a kutatók. Ezek a 0,7–18 GHz tartományban alkalmasak a GSM, az UMTS, az LTE, vagy akár az 5G mobiltelefon-rendszerek, továbbá a földfelszíni digitálistelevízió-rendszerek és vezeték nélküli hálózatok – mint széleskörűen elterjedt elektromágneses energiaforrások – jeleinek hasznosítására. Kifejlesztettek és megépítettek továbbá egy olyan, 2,4 GHz-es frekvencián működő impulzusvevő áramkört, amely 

akár több impulzusadótól érkező impulzusok vételére is alkalmas,

és az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással továbbítja. A projekt keretében három jelentős fejlesztés valósult meg:

Rezgésdiagnosztikai szenzor (VibrAn)

A rezgésdiagnosztika célja a forgó alkatrészeket tartalmazó gépek állapotának vizsgálata a rezgési spektrum alapján. Ezek a mérések általában alkalomszerűen történnek, viszont egyre nagyobb igény mutatkozik az alkatrészek – utólag telepített rendszerekkel történő – folyamatos monitorozására. A konzorcium által fejlesztett hálózatba szervezhető eszköz rendkívül alacsony fogyasztású (~1 mW), amely mindhárom tengely irányában képes a rezgéseket mérni a 10 Hz – 2 kHz közötti tartományban. Az energiagyűjtési funkciót mind vibrációs energiagyűjtővel (VEH), mind termoelektromos generátorral (TEG) sikerült megvalósítani. A mért adatokat a rendszer titkosítva küldi a vevőhardver felé, ahonnan a kollektoron (pl. PC vagy Rasberry Pi stb.) keresztül jut végül a felhőbe. 

Gumideformáció monitorozása (TireForce)

A 3D-erőmérő fejlesztése több mint 10 éve folyik az EK MFA-ban. A szenzor a merőleges irányú terhelés mérésén kívül képes az oldalirányú erők nagyon precíz meghatározására is. A projektben az erőmérő gumiszenzoros alkalmazása került előtérbe. A kutatók abból a feltételezésből indultak ki, hogy az erőmérő segítségével minden jelenlegi módszernél gyorsabban és közvetlenebb módon lehetne érzékelni, ha a gumiabroncs fékezés, vagy az út felületi minőségének megváltozása (pl. jegesedés) miatt megcsúszik. A kifejlesztett tesztrendszer a gumiabroncs oldalfalára illesztett erőmérőből, egy töltőtekercsből, egy feldolgozó áramkörből, illetve egy kommunikációs modulból áll.

Az EK MFA Nano-érzékelők csoport az ELKH Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézettel együttműködve számos dinamikus mérést végzett egy, az új mellett hagyományos szenzorokkal is felszerelt Nissan Leaf tesztautó segítségével, többek között a ZalaZone tesztpályán, valamint a Magyar Autóklub rántópados pályáján. A fedélzeti adatok, illetve a gumiszenzoradatok összevetéséhez egy három eltemetett rétegből felépülő – rétegenként 38 neuronból álló – neurális hálót használtak a kutatók.

Kerékpárforgalom-monitorozás (LogLine)

A közlekedési szakemberek igényei alapján kifejlesztett – és a piacon elérhetőnél jóval fejlettebb – rendszer fő előnye, hogy az áthaladó kerékpárosok számán és haladási irányán túl a sebességüket, valamint az egyes áthaladások helyét is képes meghatározni, ráadásul az érzékelőt egyszerűbben lehet telepíteni. A napelemmel tölthető rendszer nagy hatótávolságú, keskeny sávú LoRaWAN hálózati protokollon keresztül küldi a legfontosabb forgalmi adatokat. A kutatók a Budapesten kihelyezett mérőegységekkel már közel 270 000 kerékpáros áthaladását vizsgálták meg.

A „Korszerű funkcionális anyagok hálózatba szervezhető autonóm érzékelőkhöz” című projekt a Magyar Kormány támogatásával és a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap finanszírozásával valósult meg.

[forrás: Eötvös Lóránd Kutatási Hálózat]