FőoldalKonstruktőrÖnellátó érzékelőhálózatok nehezen elérhető helyekre
2021. március 19., péntek ::

Önellátó érzékelőhálózatok nehezen elérhető helyekre

Speciális körülmények között is alkalmazható, új technológiákon alapuló, akkumulátor és drótnélküli, hálózatban kommunikáló érzékelő egységeket fejlesztett az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete és a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. együttműködésével létrejött konzorcium. A fejlesztett eszközök környezeti termikus, ill. vibrációs forrásokból nyernek energiát és új típusú, rendkívül alacsony fogyasztású rádiófrekvenciás protokoll segítségével kommunikálnak. Az új eszközöket többek között gépek és közlekedési infrastruktúrák állapotának monitorozására, kerékpáros forgalom vizsgálatára, ill. járműirányítási rendszerben lehet használni.

Egyre nagyobb számú érzékelő gondoskodik arról, hogy megfelelő információhoz jussunk az élet számos területén: pl. gyárakban, közlekedési infrastruktúrák környezetében vagy mezőgazdasági területen. Ezeket az eszközöket azonban gyakran olyan helyekre kell telepíteni, ahol a vezetékes tápellátás vagy – drótnélküli eszköz esetében – az akkumulátorok cseréje nem kivitelezhető esetleg költséges. Erre jelent megoldást a környezeti energiaforrások kiaknázására szolgáló energiagyűjtés (energy harvesting – EV). Azonban az elérhető energiasűrűség általában alacsony és az intenzitás helyben és időben is erősen változik. A projekt célja olyan megoldások kidolgozása volt, melyek alkalmazkodnak a változó intenzitású és alacsony szintű energiákhoz, rendkívül takarékosak és valós körülmények között is alkalmazhatók.

Az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (EK MFA) több mint 20 éve foglalkozik MEMS-technológiával megvalósítható mikroérzékelőkkel. Hazai szinten egyedülálló tisztatéri mikrotechnológiai mintaelőállítási és anyagvizsgálati infrastruktúrával, szaktudással rendelkezik. A projekt sikerének másik pillére az energy harvesting-et tartalmazó rendkívül takarékos elektronika és RF kommunikációs egység, melyet a mikrohullámú és rádiófrekvenciás innovációban nemzetközi szinten is kiemelkedő, 100% magyar tulajdonban levő cég, a BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft. (BHE) dolgozott ki. A konzorcium résztvevői a projekt keretében egyaránt végeztek alap- és ipari kutatást, valamint kísérleti fejlesztéseket.

Az alapkutatások célja új típusú vibrációs energiagyűjtők és multifrekvenciás szelektív gyorsulásmérők tervezése és megvalósítása volt. A hagyományos nem-rezonáns gyorsulásmérők ugyan egyszerre széles frekvenciatartományban érzékelnek, érzékenységük nem mindig elégséges és működésük tápellátást igényel. A megoldás egy 30 lépéses Si-technológián alapuló, két ponton felfüggesztett, Fermat-spirál alakú membrán szalag volt, melynek a felső elektródája 8 szegmensből áll. A multielektródos működési elv helyességét rázógépes tesztekkel igazolták. A nagyobb szenzorjel és villamos teljesítmény kinyerése érdekében Si-technológiával kompatibilis, magas piezoelektromos állandóval rendelkező ScAlN rétegeket is vizsgáltak. A porlasztási paraméterek optimalizálásával a longitudinális piezoelektromos együtthatót sikerült az AlN-hoz képest ötszörösére megnövelni (~6 pC/N) standard Si-hordozón. Sőt, hasonló paramétereket használva ugyanez az érték 10,0 pC/N-nek adódott Ni fémlemez hordozó esetén, mely nemzetközi összehasonlításban is magas értéknek számít.

Az elektromágneses energiakinyerő-alkalmazáshoz kétféle szélessávú antenna struktúrát készítettek el, melyek 0,7–18 GHz tartományban alkalmasak a GSM, UMTS, LTE, akár az 5. generációs mobiltelefon rendszerek, a földfelszíni digitális televízió rendszerek és vezetéknélküli hálózatok, mint széles körűen elterjedt elektromágneses energiaforrások jeleinek hasznosítására. Kifejlesztettek és megépítettek egy 2,4 GHz-es frekvencián működő impulzusvevő-áramkört, amely alkalmas akár több impulzusadótól érkező impulzus vételére és az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással képes továbbítani.

A projekt keretében megvalósított 3 legjelentősebb fejlesztés:

Rezgésdiagnosztikai szenzor (VibrAn)

A rezgésdiagnosztika célja a forgó alkatrészeket tartalmazó gépek állapotának vizsgálata a rezgési spektrum alapján. Ezek a mérések általában alkalmanként történnek, viszont egyre nagyobb az igény az alkatrészek folyamatos monitorozásra utólag telepített rendszerrel. A konzorcium által fejlesztett hálózatba szervezhető eszköz rendkívül alacsony fogyasztású (~1 mW), mely 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 egy saját fejlesztésű rádiós protokoll szerint küldi titkosítva a BHE által készített vevőhardver felé, ahonnan a kollektoron (pl. PC vagy Rasberry Pi stb.) keresztül jut végül a felhőbe. Ehhez fejlesztettek ki egy kis méretű, 2,4 GHz ISM sávon működő vezetéknélküli impulzusadó-áramkört, ami mikroszekundumnál rövidebb elektromágneses impulzusokkal, igen kis átlagfogyasztás mellett alkalmas a szenzorok adatainak átvitelére. Szintén kifejlesztették az impulzusvevő-áramkört, amely akár több impulzusadótól érkező impulzus vételére is alkalmas és az adatokat korszerű IP-alapú adatátviteli eljárással képes továbbítani.

A szenzorrendszer sematikus működés (középen) valamint a megvalósított jeladó (bal oldal), ill vevő (jobb oldal)

Gumideformáció monitorozása (TireForce)

A 3D erőmérő fejlesztése több mint 10 éve folyik az EK MFA-ban. A szenzor a merőleges irányú terhelés mérésén felül képes az oldalirányú erők nagyon precíz meghatározására is. A projektben az erőmérő gumiszenzoros alkalmazása került előtérbe és abból a feltételezésből indult ki, hogy az erőmérő segítségével, minden jelenlegi módszernél gyorsabban és közvetlenebb módon válna érzékelhetővé a gumiabroncs megcsúszása fékezéskor, vagy az út felületi minőségének megváltozása hatására (pl. jegesedés miatt). A kifejlesztett tesztrendszer az oldalfalra illesztett erőmérőből, egy töltőtekercsből, egy feldolgozó áramkörből, ill egy kommunikációs modulból állt. A „Jármű gumiabroncs menetdinamikai állapotát mérő eszköz” mintaoltalmi igényt a Szabadalmi Hivatal nemrégiben fogadta el. A csoport számos dinamikus mérést végzett egy hagyományos szenzorokkal is felszerelt Nissan Leaf tesztautóval, többek között a ZalaZone-on, ill. a Magyar Autóklub rántópados pályáján. A fedélzeti és gumiszenzor adatok összevetéséhez egy 3 eltemetett rétegből és rétegenként 38 neuronból álló neurális hálót alkalmaztunk. Az eredmények alapján megállapítható, hogy az általunk alkalmazott neurális háló nagy pontossággal becsüli meg a laterális és hosszirányú gyorsulásokat, illetve a perdületszenzor jeleit. Más szavakkal a gumiba épített saját fejlesztési szenzorral mindezek a fizikai paraméterek meghatározhatóak.

abra 01 low

A gumi belsejébe szerelt rendszer (bal oldal), ill. a tesztautó a rántópados mérés közben (jobb oldal).

Kerékpárforgalom monitorozás (LogLine)

A közlekedési szakemberek igényei alapján fejlesztett rendszer fő előnye a piacon jelen lévő eszközökhöz képest, hogy az áthaladó kerékpárosoknak nem csak a számát és haladási irányát határozza meg, hanem a sebességüket, ill. az egyes áthaladások helyét is, ráadásul maga az érzékelő is egyszerűbben telepíthető. A rendszer napelemmel tölthető, a legfontosabb forgalmi adatokat nagy hatótávolságú, keskenysávú LoRaWAN hálózati protokollon keresztül küldi. A kihelyezett mérőegységeinkkel Budapest-szerte már több mint 260 000 kerékpáros áthaladását mérték.

További információ:

EK MFA Nanoérzékelők Laboratórium

BHE Bonn Hungary Elektronikai Kft.

Az „Korszerű funkcionális anyagok hálózatba szervezhető autonóm érzékelőkhöz” című NVKP_16-1-2016-0018 azonosítószámú projekt a Magyar Kormány támogatásával a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap finanszírozásával valósult meg.

nkfih

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény