Databehandling
Nanostrenger åpner nye fronter for vibrasjonsbaserte sensorer for bredere bruk
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Banebrytende mikrochips og sofistikerte sensorer er verktøy som hjelper oss med å ta eksponentielle sprang i denne tiden med superrask kommunikasjon og mer. Ny forskning som baner vei for å lage en ny type nanostreng som vibrerer lenger enn noen tidligere kjent faststoffgjenstand kan vise seg å være et gjennombrudd. Den kan bidra til å integrere superfølsomme sensorer med standard mikrochip-teknologi, noe som resulterer i et nytt paradigme innen vibrasjonsbasert sensing.
Verdens mest følsomme sensorer: Presser grensene for nanoteknologi og maskinlæring
Et team av forskere fra TU Delft og Brown University har kommet opp med resonatorer som ligner på strenger og kan vibrere lenger ved romtemperatur enn noen annen faststoffgjenstand vi hittil har kjent. Resultatene som er oppnådd ved romtemperatur kunne kun oppnås ved omtrent absolutt null tidligere.
Vitenskapelig sett har forskerne presentert nanomekaniske resonatorer som strekker seg flere centimeter i lengde samtidig som de beholder en tykkelse på nanometer. Denne egenskapen resulterer i nanostrenger som har den høyeste mekaniske kvaliteten blant alle klemmeobjekter i romtemperaturmiljøer. I dette tilfellet er klemmeobjektet en mikrochip.
Forskerne benyttet delikate nanofabrikasjonsteknikker som hjalp til med å oppnå høy avkastning.
For å forklare fra et funksjonelt perspektiv, når det gjelder hvor godt energi ble avgitt fra et vibrerende objekt, kunne disse strengene spesifikt fange vibrasjoner og hindre at energien lekket ut.
Maskinlæring styrte synergien mellom nanofabrikasjon og designoptimalisering. Den mekaniske kvaliteten ble så forbedret at frekvensene nærmet seg 10 milliarder kilohertz. Sådanne mekaniske frekvenser er sammenlignbare med hvordan ledende kryogene resonatorer og leviterende nanosphærer presterer.
Associate Professor Richard Norte, while explaining the significance of the research, had the following to say:
“Forestill deg en huske som, når den er dyttet, fortsetter å svinge i nesten 100 år fordi den mister nesten ingen energi gjennom tauene. Våre nanostrenger gjør noe lignende, men i stedet for å vibrere én gang per sekund som en huske, vibrerer våre strenger 100 000 ganger per sekund. Fordi det er vanskelig for energi å lekke ut, betyr det også at miljøstøy er vanskelig å komme inn, noe som gjør dette til noen av de beste sensorene for romtemperaturmiljøer.”
Utviklingen av løsningens produksjonsprosess indikerer også et radikalt skifte innen nanoteknologiens område. Forklarende lederen for forskningsarbeidet, Dr. Andrea Cupertino, sa at selv om strengene er 3 centimeter lange og 70 nanometer tykke når de skaleres opp, er de tilsvarende ‘å lage gitarstrenger av glass som er hengt opp i en halv kilometer med nesten ingen slakk.’
Disse egenskapene gjør løsningen egnet for ekstreme hverdagsapplikasjoner, noe som tidligere kunne vært svært vanskelig å oppnå med den oppfatningen vi har hatt av nanoteknologi.
Klikk her for å lære om hvordan CMOS kortbølges infrarøde sensorer kan tolke det usette.
Applikasjonspotensialet til løsningen
Innovasjonen åpner nye fronter innen studiet av makroskopiske kvantefenomener ved romtemperatur. Så langt har studien blitt maskert av støy. Imidlertid kan nanostrengene isolere denne støyen, slik at kvantemekanikkens lover blir gjenkjennelige i strenger laget av milliarder av atomer. Dette fenomenet var tidligere begrenset til enkeltatomer. Denne overgangen fra ett enkelt atom til en streng av atomer har stort potensial for kvantebasert sensing i hverdagsmiljøer.
Nanostrengene gjør det også mulig å bygge strukturer som vil være spesielt nyttige i miniatyrenheter som måler fysiske størrelser som trykk, temperatur, akselerasjon og magnetfelt, også kjent som MEMS-sensing.
Forskere håper at forskningen vil gå utover grensene for anvendt vitenskap som vi hittil har kjent, og vise hvordan svært følsomme sensorer kan integreres med standard mikrochip-teknologi, og dermed åpne nye muligheter innen vibrasjonsbasert sensing for forskere å utforske.
Hvis omfanget utvides, kan studien føre til utvikling av mer komplekse design som kan måle mange kritiske parametere, som akselerasjon for inertial navigasjon eller et vibrerende trommeskinn for neste generasjons mikrofoner.
I en god stund har forskere vært interessert i å vurdere potensialet til vibrasjonssensorer som en ikke-invasiv overvåkningsteknologi. En gjennomgang av tilgjengelig forskning viste at vibrasjonsbaserte sensing-teknologier kan vise seg nyttige innen en rekke områder, inkludert menneskelig, infrastruktur, sikkerhets- og helsesporing.
I de følgende segmentene vil vi se på disse bruksområdene som kan dra nytte av forskningen som involverer nanostrengvibrasjoner.
Hvordan vibrasjonsbaserte sensing-teknologier hjelper oss med å utvikle løsninger
Vibrasjonsbaserte sendingsteknologier er enormt nyttige i diagnostikk og helsevesen. Årsaken er enkel. De mekaniske bølgene som sprer seg gjennom kroppen vår på grunn av naturlige fysiologiske aktiviteter er avslørende signaler som inneholder informasjon om en rekke kroppsrelaterte hendelser, inkludert kroppsholdning, respirasjon, puls, gangart, bevegelse og mer. Å fange disse mekanisk‑vibrerende signalene krever sofistikerte vibrasjonsbaserte sensing‑teknologier.
Disse sensing‑teknologiene overvåker også en rekke menneskelige atferder, som daglige aktiviteter (ADL) og mer. Det finnes inertialsensorer som akselerometre, gyroskoper og magnetometre, fysiske helsesensorer som elektrokardiogram‑enheter, hudtemperatursensorer og kraft‑/trykksensorer.
Vibrasjonsbasert sensing har en avgjørende rolle i å sikre vellykkede deduksjoner i alle disse sensorene. De tilbyr også verdifulle løsninger i det vi kaller opptaksinformasjon‑inferens‑tjenester. Disse tjenestene inkluderer scenarier som sporing av eiendeler, estimering av antall personer på et sted, logistikk, sikkerhet osv.
Disse løsningene hjelper med å beskrive posisjonen til subjektene i forhold til det avgrensede rommet de befinner seg i. Det hjelper også med menneskelig identifikasjon. Det hjelper med å identifisere autoriserte brukere og inntrengere eller oppdage et fall.
Et annet område for vibrasjonsbasert sensing er overvåking av infrastrukturens helse, spesielt oppdagelse av seismisk skade på bygninger forårsaket av rystelser og jordskjelv. I dag hjelper disse løsningene også i tilfeller av stormer, orkaner og eksplosjoner ved å tilby en vitenskapelig bevist metode for å vurdere infrastrukturens helse.
Flere teknologiselskaper har allerede utviklet populære løsninger som utnytter fordeler med vibrasjonsbasert sensing. Forskningen vi har diskutert her vil hjelpe dem med å gjøre ytterligere fremskritt. En slik globalt anerkjent løsningsleverandør er Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automations tilstandsovervåkingssensorer hjelper med å utføre vibrasjons- og posisjonsmålinger for de fleste applikasjoner i ekstreme temperaturmiljøer og farlige områder.
Rockwells Bulletin 1442 Eddy Current Probe‑systemer hjelper for eksempel med å måle akselvibrasjon, fase-/hastighetsreferanse og rotor-/skyveposisjon på industrielt maskineri. Det neste produktet i serien, Bulletin 1443‑seriens akselerometersensorer, kan også måle vibrasjon på industrielt maskineri. Det er et sofistikert akselerometer med et bredt frekvensområde fra 0,2 Hz (12 CPM) til en svært høy frekvens på opptil 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation har også en løsning som støtter prediktivt vedlikeholdsarbeid og gir viktig maskinvibrasjonsdiagnostikk med bærbare datainnsamlere som kan måle, behandle, vise og lagre en rekke analysefunksjoner. Når det gjelder arbeid ved lave frekvenser, kan løsningen gå så lavt som 0,2 Hz eller 12 kpm. På den høyere siden kan den gå opp til 30 kHz eller 1800 kpm. Den kan også fungere ved svært høye temperaturer, opptil 260 grader Celsius eller 500 grader Fahrenheit.
Rockwells sløyfe‑drevne vibrasjonssensorer med 4‑20 mA utgang måler signaler som representerer de samlede vibrasjonsnivåene generert av mange typer roterende maskineri. Dens intrinsisk sikre akselerometre har spesielle egenskaper for å møte kravene i et farlig miljø.
I regnskapsåret 2023, Rockwell Automation registrerte en omsetning på mer enn US$9,058 milliarder, en betydelig økning fra 2022‑omsetningen på US$7,76 milliarder.
#2. Omron
Et annet globalt selskap som har gjort strålende arbeid med vibrasjonsbaserte sensing‑teknologier er Omron. Det har bygget den verdens minste klassestørrelse, høypresisjons seismisk sensor. Den IoT‑vennlige vibrasjonssensoren er under merkenavnet D7S.
D7S er en seismisk sensor som bidrar til å redusere sekundære katastrofer fra jordskjelv. Sensoren kan passe i enhver enhet på grunn av sin ultralille størrelse. Å være en spektral intensitet høypresisjons jordskjelvsindikator hjelper den med å avvise impuls‑vibrasjonsstøy og korrelere sterkt med skader som har skjedd på strukturer. Det faktum at den er IoT‑vennlig hjelper den med å lage jordskjelvkart og redningskart.
Når det gjelder anvendelse, bidrar den til å forhindre sekundær skade i halvledere, kjemiske anlegg og fordelingspaneler. Brukere kan distribuere disse sensorene i hjemmene sine på fordelingspaneler, brannforebyggingssystemer og husholdningsapparater. Samfunnet kan på sin side dra nytte av disse sensorene ved å ha dem i strømmålere, motorveier, broer, jernbaner og mer.
Flere andre funksjoner gjør at D7S skiller seg ut fra sine konkurrenter. For eksempel resulterer dens 3‑akset akselerasjonssensor og unike SI‑verdiberegningsalgoritme i overflate‑monterbare kompakte moduler med lavt strømforbruk. Dens relativt høyere frihetsgrad gjør den egnet for integrering i enheter og langvarig drift på batteristrøm. Fremfor alt opererer dens avstengningsutgangsterminal (INT1) tilsvarende en konvensjonell mekanisk vibrasjonssensor, noe som sikrer kompatibilitet med mekaniske vibrasjonssensorer.
I regnskapsåret 2023, Omron tjente en årlig omsetning på 890 milliarder yen, en mindre enn 2 % økning fra forrige års omsetning på 876,1 milliarder yen.
Fremtiden for vibrasjonsbasert sensing
Forskere over hele verden gjennomfører mange interessante forskningsprosjekter innen vibrasjonsbaserte sensing‑teknologier og sensorer. I 2021 foreslo et forskerteam en løsning kalt VibroTag som kunne fungere med smarttelefoner med ulik maskinvare som et robust og praktisk vibrasjonsbasert sensing‑oppsett.
Den kunne ekstrahere fin‑granulære vibrasjons‑signaturer fra ulike overflater, og omgå påvirkingen fra miljøstøy og maskinvare‑irregulariteter. Forskerne implementerte VibroTag på to forskjellige Android‑telefoner og evaluerte dem i flere miljøer, og samlet inn data fra fire individer over et vedvarende antall dager. VibroTag oppnådde en gjennomsnittlig nøyaktighet på 86,55 % og kunne gjenkjenne 24 ulike lokasjoner/overflater, selv når noen av disse overflatene var laget av lignende materiale.
En annen gruppe forskere fra University of Bolognas avdeling for Smarte Materialer og Strukturhelseovervåking (SMASH) foreslo en innovativ, lavkost og lett Sensor Node (SN) som kunne gi raskt deployerbare sensornettverk for langsiktig og sanntids akustisk emisjon (AE) og vibrasjons (ACC) overvåking. Oppsettet ble bygget på en måte slik at løsningen kunne minimere sensitiviteten til ekstern støy betydelig. Tilnærmingen med sensor‑nær overvåking reduserte volumet av rådata drastisk som måtte behandles og lagres for NDT‑ og SHM‑formål.
En annen forskning som kombinerte nanoteknologi med vibrasjonsbasert sensing var en lavfrekvent vibrasjonssensor (LV‑TENG) basert på en cantilever‑bjelke‑strukturert triboelektrisk nanogenerator. Denne sensoren kunne utføre høypresisjons vibrasjonsmåling samtidig som den effektivt samlet inn vibrasjonsenergi.
Et eksperiment utført på effektiviteten til LV‑TENG var mer enn positivt. Den kunne korrekt oppdage strukturell vibrasjon med en frekvens fra 0,1 Hz til 5,0 Hz og en amplitude fra 2,0 mm til 10,0 mm. Selv utgangsspenningen fulgte et positivt lineært forhold til frekvensen, med den tilpassede korrelasjonskoeffisienten som nådde så høyt som 0,994. Forskerne var overbevist om at LV‑TENG kunne tilby en ny vei for lavfrekvent vibrasjonsmonitorering og kunne brukes til strukturell helsesporingsanalyse i marinteknikk.
Den indirekte og direkte overvåkingen av infrastrukturens helse, menneskers helsetilstand og atferdsmønstre kan gavne menneskelivet enormt. Det kan redusere skader og forbedre livet til både mennesker og maskiner. Vibrasjonsbasert sensing er en effektiv måte å gjennomføre slike overvåkningsøvelser på. Inkorporeringen av nanoteknologi i disse sensing‑verktøyene eller sensorene gjør løsningene enda enklere å bruke, da de er svært bærbare og kan integreres som deler av bærbare eller ikke‑bærbare enheter.
Teknologien har også fått stor oppmerksomhet fordi den er kostnadseffektiv og forbruker lite strøm. Som følge av dette er den en løsning som passer behovene for både innendørs og utendørs overvåking. Fremtiden, ifølge forskerne, vil se mer intens forskning på ikke‑invasiv teknologi.
Når det gjelder anvendelse, har den potensial til å dekke et bredt spekter av smarthus‑ og miljøapplikasjoner. Imidlertid må mer arbeid gjøres med signalbehandlingskapasitet og utnyttelse av maskinlæringsteknikker for å gjøre disse sensorene til en erstatning for konvensjonelle sensormekanismer.
Klikk her for å lære om selvforsynte sensorer som kan forenkle og forbedre systemer.
