Le capteur auto-alimenté du MIT récolte automatiquement l’énergie magnétique ambiante

Un système conçu à MIT pourrait permettre aux capteurs de fonctionner à distance, sans piles.

Des chercheurs du MIT ont développé un capteur auto-alimenté sans pile, capable de récupérer l’énergie de son environnement.

Parce qu’il ne nécessite aucune batterie qui doit être rechargée ou remplacée, et parce qu’il ne nécessite aucun câblage spécial, un tel capteur pourrait être intégré dans un endroit difficile d’accès, comme à l’intérieur du fonctionnement interne du moteur d’un navire. Là, il pourrait collecter automatiquement des données sur la consommation électrique et les opérations de la machine pendant de longues périodes.

Exploiter facilement l’énergie ambiante

Les chercheurs ont construit un dispositif de détection de température qui récupère l’énergie du champ magnétique généré à l’air libre autour d’un fil. On pourrait simplement attacher le capteur autour d’un fil qui transporte l’électricité – peut-être le fil qui alimente un moteur – et il récoltera et stockera automatiquement l’énergie qu’il utilise pour surveiller la température du moteur.

« Il s’agit de puissance ambiante – une énergie pour laquelle je n’ai pas besoin d’établir une connexion soudée spécifique. Et cela rend ce capteur très facile à installer », déclare Steve Leeb, professeur Emanuel E. Landsman de génie électrique et informatique (EECS) et professeur de génie mécanique, membre du laboratoire de recherche en électronique et auteur principal d’un papier sur le capteur de récupération d’énergie.

Un guide pour la conception de capteurs de récupération d’énergie

Dans le journal, paru comme article vedette dans le numéro de janvier du Journal des capteurs IEEEles chercheurs proposent un guide de conception pour un capteur de récupération d’énergie qui permet à un ingénieur d’équilibrer l’énergie disponible dans l’environnement avec ses besoins de détection.

Le document présente une feuille de route pour les composants clés d’un appareil capable de détecter et de contrôler le flux d’énergie en continu pendant le fonctionnement.

Le cadre de conception polyvalent ne se limite pas aux capteurs qui collectent l’énergie du champ magnétique et peut être appliqué à ceux qui utilisent d’autres sources d’énergie, comme les vibrations ou la lumière du soleil. Il pourrait être utilisé pour construire des réseaux de capteurs pour les usines, les entrepôts et les espaces commerciaux, moins coûteux à installer et à entretenir.

« Nous avons fourni un exemple de capteur sans batterie qui fait quelque chose d’utile et avons montré qu’il s’agit d’une solution pratiquement réalisable. Nous espérons que d’autres utiliseront désormais notre cadre pour lancer la conception de leurs propres capteurs », déclare l’auteur principal Daniel Monagle, étudiant diplômé de l’EECS.

Monagle et Leeb sont rejoints sur le papier par Eric Ponce, étudiant diplômé de l’EECS.

John Donnal, professeur agrégé d’ingénierie des armes et des contrôles à l’Académie navale américaine qui n’a pas participé à ces travaux, étudie les techniques de surveillance des systèmes des navires. Avoir accès à l’électricité sur un navire peut être difficile, dit-il, car il y a très peu de prises et des restrictions strictes quant aux équipements qui peuvent être branchés.

« Mesurer en permanence les vibrations d’une pompe, par exemple, pourrait donner à l’équipage des informations en temps réel sur l’état des roulements et des supports, mais alimenter un capteur de modernisation nécessite souvent une telle infrastructure supplémentaire que l’investissement n’en vaut pas la peine », ajoute Donnal. . « Des systèmes de récupération d’énergie comme celui-ci pourraient permettre de moderniser une grande variété de capteurs de diagnostic sur les navires et de réduire considérablement le coût global de maintenance. »

Surmonter les défis de conception

Les chercheurs ont dû relever trois défis clés pour développer un capteur efficace, sans pile et récupérateur d’énergie.

Premièrement, le système doit pouvoir démarrer à froid, ce qui signifie qu’il peut démarrer ses composants électroniques sans tension initiale. Ils y sont parvenus grâce à un réseau de circuits intégrés et de transistors qui permettent au système de stocker de l’énergie jusqu’à ce qu’il atteigne un certain seuil. Le système ne s’allumera qu’une fois qu’il aura stocké suffisamment d’énergie pour fonctionner pleinement.

Deuxièmement, le système doit stocker et convertir l’énergie qu’il récupère de manière efficace et sans batterie. Même si les chercheurs auraient pu inclure une batterie, cela ajouterait des complexités supplémentaires au système et pourrait présenter un risque d’incendie.

« Vous n’aurez peut-être même pas le luxe d’envoyer un technicien pour remplacer une batterie. Au lieu de cela, notre système ne nécessite aucun entretien. Il récupère de l’énergie et fonctionne tout seul », ajoute Monagle.

Pour éviter d’utiliser une batterie, ils intègrent un stockage d’énergie interne pouvant inclure une série de condensateurs. Plus simple qu’une batterie, un condensateur stocke l’énergie dans le champ électrique entre des plaques conductrices. Les condensateurs peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux et leurs capacités peuvent être adaptées à une gamme de conditions de fonctionnement, d’exigences de sécurité et d’espace disponible.

L’équipe a soigneusement conçu les condensateurs afin qu’ils soient suffisamment grands pour stocker l’énergie dont l’appareil a besoin pour s’allumer et commencer à récolter de l’énergie, mais suffisamment petits pour que la phase de charge ne prenne pas trop de temps.

De plus, étant donné qu’un capteur peut mettre des semaines, voire des mois avant de s’allumer pour prendre une mesure, ils ont veillé à ce que les condensateurs puissent contenir suffisamment d’énergie, même en cas de fuite avec le temps.

Enfin, ils ont développé une série d’algorithmes de contrôle qui mesurent et budgétisent de manière dynamique l’énergie collectée, stockée et utilisée par l’appareil. Un microcontrôleur, le « cerveau » de l’interface de gestion de l’énergie, vérifie en permanence la quantité d’énergie stockée et en déduit s’il faut allumer ou éteindre le capteur, prendre une mesure ou faire passer la récolteuse à une vitesse supérieure afin qu’elle puisse collecter plus d’énergie pour besoins de détection plus complexes.

« Tout comme lorsque vous changez de vitesse sur un vélo, l’interface de gestion de l’énergie examine les performances de la moissonneuse-batteuse, essentiellement pour voir si elle pédale trop fort ou trop doucement, puis elle fait varier la charge électronique afin de maximiser la quantité de puissance. il s’agit de récolter et d’adapter la récolte aux besoins du capteur », explique Monagle.

Capteur auto-alimenté

À l’aide de ce cadre de conception, ils ont construit un circuit de gestion d’énergie pour un capteur de température disponible dans le commerce. L’appareil récupère l’énergie du champ magnétique et l’utilise pour échantillonner en permanence les données de température, qu’il envoie à une interface de smartphone via Bluetooth.

Les chercheurs ont utilisé des circuits à très faible consommation pour concevoir l’appareil, mais ont rapidement découvert que ces circuits étaient soumis à des restrictions strictes quant à la tension qu’ils peuvent supporter avant de tomber en panne. Récolter trop d’énergie pourrait faire exploser l’appareil.

Pour éviter cela, leur système d’exploitation de récupération d’énergie dans le microcontrôleur ajuste ou réduit automatiquement la récolte si la quantité d’énergie stockée devient excessive.

Ils ont également constaté que la communication – la transmission des données collectées par le capteur de température – était de loin l’opération la plus gourmande en énergie.

« S’assurer que le capteur dispose de suffisamment d’énergie stockée pour transmettre des données est un défi constant qui implique une conception minutieuse », explique Monagle.

À l’avenir, les chercheurs envisagent d’explorer des moyens de transmission de données moins gourmands en énergie, comme l’optique ou l’acoustique. Ils souhaitent également modéliser et prédire plus rigoureusement la quantité d’énergie qui pourrait entrer dans un système, ou la quantité d’énergie dont un capteur pourrait avoir besoin pour prendre des mesures, afin qu’un appareil puisse collecter efficacement encore plus de données.

« Si vous effectuez uniquement les mesures dont vous pensez avoir besoin, vous risquez de manquer quelque chose de vraiment précieux. Avec plus d’informations, vous pourrez peut-être apprendre quelque chose que vous ne vous attendiez pas sur le fonctionnement d’un appareil. Notre cadre vous permet d’équilibrer ces considérations », explique Leeb.

«Cet article est bien documenté sur ce qu’un nœud de capteur auto-alimenté pratique devrait impliquer en interne pour des scénarios réalistes. Les directives générales de conception, en particulier sur la question du démarrage à froid, sont très utiles », déclare Jinyeong Moon, professeur adjoint de génie électrique et informatique à la Florida A&M University.Université d’État de Floride College of Engineering qui n’a pas participé à ces travaux. « Les ingénieurs qui envisagent de concevoir un module auto-alimenté pour un nœud de capteur sans fil bénéficieront grandement de ces directives, en cochant facilement les listes de contrôle traditionnellement lourdes liées au démarrage à froid. »

Le travail est soutenu, en partie, par l’Office of Naval Research et la Grainger Foundation.