重庆大学蒲贤洁团队Device：高信号密度自供能无线传感面向过程。

2024-07-25

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

重庆大学蒲贤洁副教授团队于2024年7月2日在Cellll。《Press细胞出版社》旗舰期刊Device发表了题为“A self-powered, process-oriented wireless sensor with high discharge signal density”的论文。作者构建了自供能无线传感系统，信号密度高，通过摩擦电效应产生持续放电穿透信号，频率为1。在一次滚动过程中，Hz产生了311个计数的信息片段，并且通过莲藕线圈实现了100。 m的长距离自供能无线信号传输。

研究亮点

高信号密度自供能无线传感面向过程；

长距离（＞100 m）自供能无线传输。

研究简介

传感器网络由感知、传输、供能等因素组成，实现高精度、无线、自供能三者的结合具有相当大的挑战性。所以，作者提出了一种非常高的信号密度。（HSD）自供能无线传感方案。通过摩擦电效应在感知端产生连续的放电穿透信号流，在接收端获得集中的信号片段(频率为1 在Hz的一次滚动中获得311个信号记数)。通过感应线圈藕合，实现近100 m的无线传输。该研究为开发高精度自供能无线传感提供了独特的方案，具有实用性。

HSD自供能无线传感方案如图1所示，HSD传感器件滚动工作，聚四氟乙烯（PTFE）与尼龙薄膜分别作为滚轮和定子的摩擦层，侧铝铂作为收集滚动过程中放电穿透信号的电极。在连续滚动过程中，由于摩擦层和电极之间的放电穿透效应，连续穿透会产生连续的输出信号流。通过连接一对莲藕的电感线圈，可以实现100多条信息。 m的无线传输。

图1：HSD自供能无线传感方案示意图。

在一个周期的单向滚动中，基于摩擦电效应的现有自供能无线传感只产生一个单一的信号。本文提出的HSD传感方案可以在一个周期的单向滚动中获得数百个信号(滚动距离相同)，这种信号流与机械运动过程密切相关，将反映运动过程中的关键信息。选择双线圈耦合模式提高传输距离，以提高实用价值。为了探索无线传感系统中的信号藕合及其影响因素，建立了等效电学模型，依次测试不同接地条件和接收点，验证了双线圈耦合模式增强自供无线传感的可行性，如图2所示。

图2：分析HSD传感系统的信号。

HSD传感机制是通过产生连续的放电穿透信号来实现对机械过程的感知，提高信号密度最有效的方法就是提高放电穿透效果。所以，通过改变PTFE与铝电极之间的距离，可以减少最小的击穿强度，从而提高放电穿透效果。如图3所示，这种预测通过磁密-信号密度曲线与空气中的帕邢曲线相对应而得到验证。通过压力和频率检测，验证了机械运动特性的可行性，并通过信号密度和信号记数来表示。

图3：表示HSD传感器信号密度。

作者在一栋建筑的走廊里进行了无线传输测试。数据显示，该系统在信号发射端与接收端的距离为100.69 当接收到3.96时， V的有效信号，完成了自供无线传感信号的超远距离传输。

图4：HSD自供能量长距离检测无线传感。

总结

本研究利用摩擦电技术实现了机械过程中信息与能量的共生，探索了HSD的自供能无线传感。通过放电穿透和线圈藕合，达到100.69 有效无线传输距离为1m，在Hz的机器驱动频率下，每秒生成311个信号记数，超越了过去仅依靠单个信号进行传感识别的方法。试验结果表明，通过调整器件磁密度，可以降低气体击穿场强度，增加放电穿透频率，进一步提高器件性能。这一结果为开发具有高传感精度和远距离无线传输的自供能传感器提供了实际可行的解决方案。

作者采访

Cell Press细胞出版社特别邀请蒲贤洁副教授代表研究小组进行专访，为大家进一步深入解读。

CellPress：

在研究过程中遇到了什么困难？这个团队是如何克服并顺利解决的？

副教授蒲贤洁：

要实现高精度、远距离的自供能无线传感是非常困难的。目前，自供能无线传感已经基于摩擦纳米发电技术进行了研究，但信号的生成过程通常是一个周期或半个周期对应一个完整的信号，这不能满足机械运动过程所需的高精度。然而，在摩擦纳米发电机的工作过程中，放电穿透通常是不可避免的。我们正是利用这一特点，通过结构设计增强放电穿透效果，在细微的机械过程中可以产生大量的信号，这意味着我们可以分析较小的步幅，从而提高传感精度。

CellPress：

下一步团队的研究计划是什么？

副教授蒲贤洁：

传感器设计是基于传感信号本身的能量，在产生信号的同时无线传输信息的有效方法。目前还有很多问题需要讨论和解决。接下来，我们计划围绕这一主题，结合具体应用领域进行研究，提高系统结构，进一步提高传感性能，从而实现技术转型。

CellPress：

最后，请与我们分享选择Device发布这项工作的原因。

副教授蒲贤洁：

作为Cell，Device，Chem，主编Marshallllllle和Matter的Joule姐妹期刊 Brennan指出，Device发布的内容主要涵盖在物理、生物、化学、材料、信息科学和工程等领域具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。Device的目的是促进科研领域的创新整合和交叉整合，从而激发科研人员的创新，进而开发出具有现实意义的新机器和新设备，可以提高每个人的生活质量。我们的工作正好符合Device期刊的定位，所以我们选择了Device进行投稿。

作者介绍

蒲贤洁

副教授

重庆大学物理学院副教授蒲贤洁。跨学科自驱动摩擦电传感器与人机交互研究主要基于生物医学工程背景。近几年来，Device、Science Advances、Science Robotics、ACS Nano、Nano Energy、Small等期刊发表了20多篇论文，授权了7项专利，研究成果被New Scientist、新华社、科学网、重庆电视台等采访报道。主持国家自然科学基金1项，省部级项目6项。在全球、国内大会上多次作邀请报告，担任分会主持人。多名指导学生获得国家奖学金、研究生科技项目、省级科技竞赛奖等。