Computing
Nanostrings åbner nye grænser for vibrationsbaserede sensorer til bredere anvendelse
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Banebrydende mikrochips og avancerede sensorer er værktøjer, der hjælper os med at tage eksponentielle spring i denne tid med superhurtig kommunikation og mere. Ny forskning baner vejen for at skabe en ny type nanostring, der vibrerer længere end nogen tidligere kendt faststofgenstand, og kan vise sig at være et gennembrud. Det kan hjælpe med at integrere superfølsomme sensorer med standard mikrochip‑teknologi, hvilket resulterer i et nyt paradigme inden for vibrationsbaseret måling.
Verdens mest følsomme sensorer: Skubber grænserne for nanoteknologi og maskinlæring
Et hold af forskere fra TU Delft og Brown University har udviklet resonatorer, der ligner strenge og kan vibrere længere ved stuetemperatur end enhver anden faststofgenstand, vi hidtil har kendt. Resultaterne, som den har produceret ved stuetemperatur, kunne kun opnås ved omkring det absolutte nulpunkt tidligere.
Videnskabeligt set har forskerne præsenteret nanomechaniske resonatorer, der strækker sig centimeter i længden, mens de bevarer en tykkelse på nanometer. Denne egenskab resulterer i nanostrenge, der har den højeste mekaniske kvalitet blandt enhver fastgørelsesgenstand i rumtemperaturmiljøer. I dette tilfælde er fastgørelsesgenstanden en mikrochip.
Forskerne anvendte delikate nanofabrikationsteknikker, der hjalp med at opnå højt udbytte.
For at forklare fra et funktionelt perspektiv, når det kom til hvor godt energi udstråles fra en vibrerende genstand, kunne disse strenge specifikt fastholde vibrationerne og forhindre, at deres energi lækker ud.
Maskinlæring styrede synergien mellem nanofabrikation og designoptimering. Den mekaniske kvalitet blev så forbedret, at frekvenserne nærmede sig 10 milliarder kilohertz. Sådanne mekaniske frekvenser er sammenlignelige med, hvordan førende kryogene resonatorer og leviterede nanokugler præsterer.
Associate Professor Richard Norte, while explaining the significance of the research, had the following to say:
“Forestil dig en gynge, der, når den er skubbet, fortsætter med at gynge i næsten 100 år, fordi den næsten ikke mister energi gennem rebene. Vores nanostrenge gør noget lignende, men i stedet for at vibrere én gang per sekund som en gynge, vibrerer vores strenge 100.000 gange per sekund. Da det er svært for energi at lække ud, betyder det også, at miljøstøj er svær at trænge ind, hvilket gør dem til nogle af de bedste sensorer til rumtemperaturmiljøer.”
Udviklingen af løsningens fremstillingsproces indikerer også et radikalt skift inden for nanoteknologiens område. Forklarende grunden sagde lederen af forskningsindsatsen, Dr. Andrea Cupertino, at selvom strengene er 3 centimeter lange og 70 nanometer tykke, når de skaleres op, svarer de til ‘at fremstille guitarstrenge af glas, der er ophængt et halvt kilometer med næsten ingen hængning.’
Disse egenskaber gør løsningen egnet til ekstreme hverdagsapplikationer, som hidtil har været meget vanskelige at opnå med den måde, vi har opfattet nanoteknologi på.
Klik her for at lære, hvordan CMOS kortbølges infrarøde sensorer kan fortolke det usete.
Anvendelsespotentialet for løsningen
Innovationen åbner nye grænser inden for studiet af makroskopiske kvantefænomener ved stuetemperatur. Hidtil har studiet været maskeret af støj. Dog kan nanostrengene isolere den støj, så kvantemekanikens love bliver genkendelige i strenge bestående af milliarder af atomer. Dette fænomen var tidligere begrænset til enkelte atomer. Dette skift fra et enkelt atom til en streng af atomer har stort potentiale for kvantebaseret måling i hverdagsmiljøer.
Nanostrengene muliggør også opbygning af strukturer, der vil være særligt nyttige i miniatureenheder, som måler fysiske størrelser såsom tryk, temperatur, acceleration og magnetiske felter, også kendt som MEMS-måling.
Forskere håber, at forskningen vil gå ud over grænserne for anvendt videnskab, som vi hidtil har kendt, og vise os, hvordan yderst følsomme sensorer kan integreres med standard mikrochip‑teknologi, hvilket åbner nye muligheder inden for vibrationsbaseret måling for forskere at udforske.
Hvis omfanget udvides, kan studiet føre til udviklingen af mere komplekse designs, der er i stand til at måle mange afgørende parametre, såsom acceleration til inertial navigation eller et vibrerende trommehoved til næste generations mikrofoner.
I en længere periode har forskere været interesserede i at vurdere potentialet for vibrationssensorer som en ikke‑invasiv overvågningsteknologi. En gennemgang af tilgængelig forskning viste, at vibrationsbaserede måleteknologier kan vise sig nyttige inden for en række områder, herunder menneskelig, infrastruktur, sikkerheds‑ og sundhedsovervågning.
I de følgende segmenter vil vi se på disse anvendelsesområder, som kan drage fordel af forskningen om nanostring‑vibrationer.
Hvordan vibrationsbaserede måleteknologier hjælper os med at udvikle løsninger
Vibrationsbaserede sendeteknologier er enormt nyttige inden for diagnostik og sundhedspleje. Årsagen er enkel. De mekaniske bølger, der udbreder sig gennem vores krop på grund af naturlige fysiologiske aktiviteter, er afslørende signaler, der indeholder information om en række kropslige begivenheder, herunder kropsposition, vejrtrækning, puls, gangart, bevægelse og mere. Indfangning af disse mekanisk‑vibrerende signaler kræver sofistikerede vibrationsbaserede måleteknologier.
Disse måleteknologier overvåger også en række menneskelige adfærd, såsom daglige aktiviteter (ADL) og mere. Der findes inertialsensorer som accelerometre, gyroskoper og magnetometre, fysiske sundhedssensorer som elektrokardiogram‑enheder, hudtemperatursensorer og kraft‑/tryk‑sensorer.
Vibrationsbaseret måling har en afgørende rolle i at sikre vellykkede udledninger i alle disse sensorer. De tilbyder også værdifulde løsninger i det, vi kalder beboelses‑informations‑inferenceservices. Disse tjenester omfatter scenarier som aktivsporing, estimering af antallet af personer i et område, logistik, sikkerhed osv.
Disse løsninger hjælper med at beskrive positionen af emnerne i forhold til det afgrænsede rum, de befinder sig i. Det hjælper også med menneskelig identifikation. Det hjælper med at identificere autoriserede brugere og indtrængere eller opdage et fald.
Et andet område for vibrationsbaseret måling er overvågning af infrastrukturens sundhed, især detektering af seismisk skade på bygninger forårsaget af rystelser og jordskælv. I dag hjælper disse løsninger også i tilfælde af storme, orkaner og eksplosioner ved at tilbyde en videnskabeligt dokumenteret metode til at vurdere infrastrukturens sundhed.
Flere teknologivirksomheder har allerede udviklet populære løsninger, der udnytter fordelene ved vibrationsbaseret måling. Den forskning, vi har diskuteret her, vil hjælpe dem med at gøre yderligere fremskridt. En sådan globalt anerkendt løsningsleverandør er Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automations tilstandsovervågningssensorer hjælper med at udføre vibrations‑ og positionsmålinger for de fleste anvendelser i ekstreme temperaturmiljøer og farlige steder.
Rockwells Bulletin 1442 Eddy Current Probe Systems hjælper for eksempel med at måle akselvibration, fase/hastighedsreference og rotor/skyveposition på industrielt udstyr. Det næste produkt i serien, Bulletin 1443 Series Accelerometer‑sensorer, kan også måle vibration på industrielt udstyr. Det er et sofistikeret accelerometer med et bredt frekvensområde fra 0,2 Hz (12 CPM) til en meget høj frekvens på op til 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation har også en løsning, der understøtter forudsigende vedligeholdelsesindsatser og leverer vigtige maskinvibrationsdiagnostikker med bærbare datainsamlere, der kan måle, behandle, vise og gemme en række analysefunktioner. Når det gælder arbejde ved lave frekvenser, kan løsningen gå så lavt som 0,2 Hz eller 12 kpm. På den højere side kan den nå op til 30 kHz eller 1800 kpm. Den kan også fungere ved meget høje temperaturer, op til 260 grader centigrade eller 500 grader Fahrenheit.
Rockwells sløjfe‑drevne vibrationssensorer med 4‑20 mA output måler signaler, der repræsenterer de samlede vibrationsniveauer genereret af mange typer roterende maskiner. Dens intrinsisk sikre accelerometre har særlige egenskaber til at imødekomme kravene i et farligt miljø.
I regnskabsåret 2023, Rockwell Automation registrerede en omsætning på mere end 9,058 milliarder USD, en betydelig stigning i forhold til 2022’s omsætning på 7,76 milliarder USD.
#2. Omron
En anden global virksomhed, der har udført fremragende arbejde med vibrationsbaserede måleteknologier, er Omron. Den har udviklet den verdens mindste klassestørrelse, højpræcisions seismisk sensor. Den IoT‑venlige vibrationssensor er under mærkenavnet D7S.
D7S er en seismisk sensor, der hjælper med at reducere sekundære katastrofer fra jordskælv. Sensoren kan passe i enhver enhed på grund af sin ultralille størrelse. At være en højpræcisions indikator for spektral intensitet ved jordskælv hjælper den med at afvise impulsiv vibrationsstøj og korrelere stærkt med skader, der er sket på strukturer. Det faktum, at den er IoT‑venlig, hjælper den med at skabe jordskælvs‑kort og redningskort.
Set i forhold til anvendelse hjælper den med at forhindre sekundære skader i halvledere, kemiske anlæg og fordelingspaneler. Brugere kan implementere disse sensorer i deres hjem på tværs af fordelingspaneler, brandforebyggelses‑systemer og husholdningsapparater. Samfundet kan derimod drage fordel af disse sensorer ved at have dem i el‑målere, motorveje, broer, jernbaner og mere.
Flere andre funktioner hjælper D7S med at skille sig ud fra sine konkurrenter. For eksempel resulterer dens 3‑akselle accelerationssensor og unikke SI‑værdi‑beregningsalgoritme i overflademonterbare kompakte moduler og lavt strømforbrug. Dens relativt højere frihedsgrad gør den egnet til integration i enheder og forlænget drift på batteristrøm. Frem for alt fungerer dens afbrydnings‑outputterminal (INT1) som en konventionel mekanisk vibrationssensor, hvilket sikrer kompatibilitet med mekaniske vibrationssensorer.
I regnskabsåret 2023, Omron opnåede en årlig omsætning på 890 milliarder yen, en stigning på mindre end 2 % i forhold til året før, hvor omsætningen var 876,1 milliarder yen.
Fremtiden for vibrationsbaseret måling
Forskere verden over udfører mange interessante forskningsprojekter inden for vibrationsbaserede måleteknologier og sensorer. I 2021 foreslog et forskerhold en løsning kaldet VibroTag der kunne fungere med smartphones med forskellig hardware som et robust og praktisk vibrationsbaseret målesystem.
Den kunne udtrække fin‑granulerede vibrationssignaturer af forskellige overflader, ved at omgå påvirkninger fra miljøstøj og hardware‑baserede uregelmæssigheder. Forskerne implementerede VibroTag på to forskellige Android‑telefoner og evaluerede dem i flere miljøer, hvor de indsamlede data fra fire personer over et længere antal dage. VibroTag opnåede en gennemsnitlig nøjagtighed på 86,55 % og kunne genkende 24 forskellige lokationer/overflader, selv når nogle af disse overflader var lavet af lignende materiale.
En anden gruppe forskere fra University of Bolognas Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) afdeling foreslog en innovativ, lavpris- og letvægts Sensor Node (SN), der kunne give hurtigt implementerbare sensornetværk til langsigtet og real‑tids akustisk emission (AE) og vibrations (ACC) overvågning. Opsætningen blev bygget på en måde, så løsningen kunne minimere følsomheden over for ekstern støj betydeligt. Den sensor‑nære overvågningsmetode reducerede mængden af rådata drastisk, som skulle behandles og gemmes til NDT‑ og SHM‑formål.
En anden forskning, der kombinerede nanoteknologi med vibrationsbaseret måling, var en lavfrekvens vibrationssensor (LV‑TENG) baseret på en cantilever‑bjælke‑struktureret triboelektrisk nanogenerator. Denne sensor kunne udføre højpræcisions vibrationsmåling, mens den effektivt indsamlede vibrationsenergi.
Et eksperiment udført på effektiviteten af LV‑TENG var mere end positivt. Den kunne korrekt registrere strukturelle vibrationer med en frekvens fra 0,1 Hz til 5,0 Hz og en amplitude fra 2,0 mm til 10,0 mm. Selv udgangsspændingen fulgte en positiv lineær sammenhæng med frekvensen, med den tilpassede korrelationskoefficient så høj som 0,994. Forskerne var overbeviste om, at LV‑TENG kunne give en ny vej for lavfrekvens vibrationsovervågning og bruges til strukturel sundhedsovervågningsanalyse i marinteknik.
Den indirekte og direkte overvågning af infrastrukturens sundhed, menneskers helbredstilstande og adfærdsmønstre kan gavne menneskelivet enormt. Det kan reducere skader og forbedre både menneskers og maskiners liv. Vibrationsbaseret måling er en effektiv måde at udføre sådanne overvågningsopgaver på. Integration af nanoteknologi i disse måleværktøjer eller sensorer gør kun løsningerne lettere at bruge, da de er meget bærbare og kan indgå som dele af bærbare eller ikke‑bærbare enheder.
Teknologien har også fået stor opbakning, fordi den er lavpris og forbruger mindre energi. Som følge heraf er den en løsning, der opfylder behovene for både indendørs og udendørs overvågning. Fremtiden, som forskerne mener, vil se mere intens forskning i ikke‑invasive løsninger.
Set i forhold til anvendelse har den potentiale til at dække et bredt spektrum af smarte hjem‑ og miljøapplikationer. Dog er der behov for yderligere arbejde med signalbehandlingskapaciteter og udnyttelse af maskinlæringsteknikker for at gøre disse sensorer til en erstatning for konventionelle målemekanismer.
Klik her for at lære om selvforsynende sensorer, der kan forenkle og forbedre systemer.
