研制用于水下探测的无电池传感器

为了调查覆盖地球大部分地区的未开发海洋，研究人员的目标是建立一个水下互连传感器网络，将数据发送到水面——一个水下“物联网(IoT)”。但是，如何为数十个设计用于长时间在海洋深处停留的传感器提供恒定的电力呢?

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种无电池水下通信系统，它使用接近零的电力来传输传感器数据作为答案。该系统可用于监测海洋温度，研究气候变化，并长期跟踪海洋生物，甚至可以对遥远星球上的水进行采样。

该系统利用了两个关键现象。一种被称为“压电效应”，当某些材料的振动产生电荷时就会发生。另一种是“反向散射”，这是一种通常用于RFID标签的通信技术，它通过反射标签上调制的无线信号并将其传回阅读器来传输数据。

在研究人员的系统中，一个发射机通过水向存储数据的压电传感器发送声波。当电波击中传感器时，材料就会振动并储存由此产生的电荷。然后传感器利用储存的能量将波反射回接收器——或者根本不反射。以这种方式在反射之间交替对应于传输数据中的位:对于反射波，接收器解码1;如果没有反射波，接收器解码为0。

“一旦你有了传输1和0的方法，你就可以发送任何信息，”麻省理工学院媒体实验室和电子工程与计算机科学系助理教授、信号动力学研究小组创始主任法德尔·阿迪布(Fadel Adib)说。“基本上，我们可以仅根据输入的声音信号与水下传感器进行通信，我们正在收集这些信号的能量。”

研究人员在麻省理工学院的一个水池中展示了他们的压电声学反向散射系统，用它来收集水温和压力的测量值。该系统能够在传感器和接收器之间10米的距离上同时从两个传感器传输每秒3千字节的精确数据。

应用超出了我们自己的星球。阿迪布说，这个系统可以用来收集最近在土星最大的卫星土卫六上发现的地下海洋的数据。今年6月，美国国家航空航天局(NASA)宣布了“蜻蜓”(Dragonfly)任务，计划在2026年发射一辆月球车，探测月球，对水库和其他地点进行采样。

“你怎么能把传感器放在土卫六的水下，在一个难以获得能量的地方持续很长一段时间?”阿迪说。“无需电池的传感器为极端环境下的传感提供了可能性。”

防止变形

海洋覆盖了地球表面的72%。他说:“我突然想到，我们对海洋以及海洋动物如何进化和繁殖知之甚少。”物联网设备可以帮助这项研究，“但在水下你不能使用Wi-Fi或蓝牙信号……你也不想把电池放在海洋各处，因为这会引起污染问题。”

这让Adib想到了压电材料，这种材料已经在麦克风和其他设备中使用了大约150年。它们对振动产生小电压。但这种效应也是可逆的:施加电压会导致材料变形。如果放置在水下，这种效应会产生一种压力波，在水中传播。它们经常被用来探测沉船、鱼和其他水下物体。

Adib说:“这种可逆性使我们能够开发出非常强大的水下反向散射通信技术。”

通信依赖于防止压电谐振器因应变而自然变形。该系统的核心是一个水下节点，一个电路板，里面有一个压电谐振器，一个能量收集单元和一个微控制器。通过对微控制器进行编程，可以将任何类型的传感器集成到节点中。一个声学投影仪(发射器)和一个被称为水听器(接收器)的水下监听装置被放置在一定距离之外。

假设传感器想要发送一个0位。当发射器在节点处发送声波时，压电谐振器吸收声波并自然变形，能量收集器从产生的振动中存储少量电荷。然后接收器看不到反射信号，解码为0。

然而，当传感器想要发送1位时，性质就改变了。当发射器发送一个波时，微控制器使用存储的电荷向压电谐振器发送一个小电压。这种电压以一种阻止材料变形的方式改变了材料的结构，而是反射了波。感应到反射波，接收器解码出1。

长期深海传感

发射器和接收器必须有电源，但可以安装在更容易更换电池的船上或浮标上，或者连接到陆地上的插座上。一个发射器和一个接收器可以从覆盖一个或多个区域的许多传感器收集信息。

“例如，当你跟踪海洋动物时，你想要在很长的距离上跟踪它，并希望传感器长时间保持在它们身上。你不想担心电池耗尽，”阿迪布说。“或者，如果你想跟踪海洋中的温度梯度，你可以从覆盖许多不同地方的传感器获得信息。”

另一个有趣的应用是监测盐水池，在海洋盆地的池子里有大面积的盐水，很难长期监测。例如，它们存在于南极大陆架上，在海冰形成过程中，盐沉淀在那里，可以帮助研究冰融化和海洋生物与这些水池的相互作用。Adib说:“我们可以感知到下面发生了什么，而不需要在传感器电池耗尽时把它们拖上来。”

研究人员的下一个目标是证明该系统可以在更远的距离上工作，并同时与更多的传感器通信。他们还希望测试该系统是否可以传输声音和低分辨率图像。

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程过程传感器和执行器的故事。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。