Datorer
Nanosträngar öppnar nya fronter för vibrationsbaserade sensorer för bredare användning
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Banbrytande mikrochips och sofistikerade sensorer är verktyg som hjälper oss att göra exponentiella språng i denna tid av supersnabb kommunikation och mer. Ny forskning som banar väg för att skapa en ny typ av nanosträng som vibrerar längre än något tidigare känt fast tillståndsobjekt kan visa sig vara ett genombrott. Det kan hjälpa till att integrera supersensitiva sensorer med standardmikrochipteknik, vilket resulterar i ett nytt paradigm för vibrationsbaserad avkänning.
Världens mest känsliga sensorer: Pressar gränserna för nanoteknologi och maskininlärning
Ett forskarteam från TU Delft och Brown University har utvecklat resonators that resemble strings och kan vibrera längre vid rumstemperatur än något annat fast tillståndsobjekt vi hittills har känt till. Resultaten som uppnåtts vid rumstemperatur kunde tidigare bara uppnås vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten.
Ur ett vetenskapligt perspektiv har forskarna presenterat nanomekaniska resonatorer som sträcker sig flera centimeter i längd samtidigt som de behåller en tjocklek på nanometer. Denna egenskap resulterar i nanosträngar med den högsta mekaniska kvaliteten bland alla fästande objekt i rumstemperaturmiljöer. I detta fall är det fästande objektet ett mikrochip.
The researchers deployed delikata nanofabrikationstekniker som hjälpte till att uppnå hög avkastning.
För att förklara ur ett funktionellt perspektiv, när det gäller hur väl energi avges från ett vibrerande objekt, kunde dessa strängar specifikt fånga vibrationer och hindra deras energi från att läcka ut.
Maskininlärning styrde synergin mellan nanofabrikation och designoptimering. Den mekaniska kvaliteten förbättrades så mycket att frekvenserna närmade sig 10 miljarder kilohertz. Sådana mekaniska frekvenser är jämförbara med hur ledande kryogena resonatorer och leviterade nanosphärer presterar.
Associate Professor Richard Norte, som förklarade forskningens betydelse, hade följande att säga:
“Föreställ dig en gunga som, när den väl har puttats, fortsätter svänga i nästan 100 år eftersom den förlorar nästan ingen energi genom repen. Våra nanosträngar gör något liknande, men istället för att vibrera en gång per sekund som en gunga, vibrerar våra strängar 100 000 gånger per sekund. Eftersom det är svårt för energi att läcka ut, betyder det också att miljöbrus är svårt att ta sig in, vilket gör dessa till några av de bästa sensorerna för rumstemperaturmiljöer.”
Utvecklingen av lösningens tillverkningsprocess indikerar också en radikal förändring inom nanoteknologins område. När hon förklarade orsaken sade forskningsledaren, Dr. Andrea Cupertino, att även om strängarna är 3 centimeter långa och 70 nanometer tjocka när de skalas upp, är de motsvarande ‘att tillverka gitarrsträngar av glas som är upphängda ett halvt kilometer med nästan ingen hängning.’
Dessa egenskaper gör lösningen lämplig för extrema vardagsapplikationer, vilket tidigare har varit mycket svårt att uppnå med den uppfattning vi haft om nanoteknologi.
Klicka här för att lära dig hur CMOS kortvågsinfraröda sensorer kan tolka det osedda.
Lösningens tillämpningspotential
Innovation öppnar nya fronter inom studiet av makroskopiska kvantfenomen vid rumstemperatur. Hittills har studien varit maskerad av brus. Nanosträngarna kan dock isolera detta brus, vilket gör kvantmekanikens lagar igenkännbara i strängar bestående av miljarder atomer. Detta fenomen var tidigare begränsat till enskilda atomer. Skiftet från en enskild atom till en sträng av atomer har stor potential för kvantbaserad avkänning i vardagsmiljöer.
Nanosträngarna möjliggör också byggandet av strukturer som skulle vara särskilt användbara i miniatyrapparater som mäter fysiska storheter såsom tryck, temperatur, acceleration och magnetfält, även känt som MEMS-avkänning.
Forskare hoppas att forskningen kommer att gå bortom gränserna för tillämpad vetenskap som vi hittills har känt och visa hur högkänsliga sensorer kan integreras med standardmikrochipteknik, vilket öppnar nya möjligheter inom vibrationsbaserad avkänning för forskare att utforska.
Om studiens omfattning utökas kan den leda till utvecklingen av mer komplexa konstruktioner som kan mäta många viktiga parametrar, såsom acceleration för inertial navigering eller ett vibrerande trumhuvud för nästa generations mikrofoner.
Under en längre tid har forskare varit intresserade av att bedöma potentialen hos vibrationssensorer som en icke-invasiv övervakningsteknik. En översikt av tillgänglig forskning visade att vibrationsbaserade avkänningstekniker kan vara användbara inom flera områden, inklusive mänsklig, infrastruktur, säkerhets- och hälsomonitorering.
I de följande avsnitten kommer vi att undersöka dessa tillämpningsområden som kan dra nytta av forskningen kring nanosträngsvibrationer.
Hur vibrationsbaserade avkänningstekniker hjälper oss att utveckla lösningar
Vibrationsbaserade sändningstekniker är enormt användbara inom diagnostik och sjukvård. Anledningen är enkel. De mekaniska vågorna som sprider sig genom vår kropp på grund av naturliga fysiologiska aktiviteter är avslöjande signaler som innehåller information om en mängd kroppsliga händelser, inklusive kroppens orientering, andning, puls, gångstil, rörelse och mer. Att fånga dessa mekaniska vibrerande signaler kräver sofistikerade vibrationsbaserade avkänningstekniker.
Dessa avkänningstekniker övervakar också ett brett spektrum av mänskligt beteende, såsom dagliga aktiviteter (ADL) och mer. Det finns tröghetsensorer som accelerometrar, gyroskop och magnetometrar, fysiska hälsosensorer som elektrokardiogramapparater, hudtemperatursensorer och kraft-/trycksensorer.
Vibrationsbaserad avkänning har en avgörande roll för att säkerställa framgångsrika slutsatser i alla dessa sensorer. De erbjuder också värdefulla lösningar i det vi kallar tjänster för inferens av beläggningsinformation. Dessa tjänster inkluderar scenarier såsom tillgångsspårning, uppskattning av antalet personer på en plats, logistik, säkerhet med mera.
Dessa lösningar hjälper till att beskriva subjektens position i förhållande till det begränsade utrymme de befinner sig i. Det hjälper också vid mänsklig identifiering. Det hjälper att identifiera auktoriserade användare och inkräktare eller att upptäcka ett fall.
Ett annat område för vibrationsbaserad avkänning är övervakning av infrastrukturens hälsa, särskilt att upptäcka seismisk skada på byggnader orsakad av skakningar och jordbävningar. Nuförtiden hjälper dessa lösningar också i fall av stormar, orkaner och explosioner genom att erbjuda ett vetenskapligt beprövat sätt att bedöma infrastrukturens hälsa.
Flera teknikföretag har redan utvecklat populära lösningar som utnyttjar fördelarna med vibrationsbaserad avkänning. Den forskning vi har diskuterat här skulle hjälpa dem att göra ytterligare framsteg. En sådan globalt erkänd lösningsleverantör är Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automations tillståndsövervakningssensorer hjälper till att utföra vibrations- och positionsmätningar för de flesta applikationer i extrema temperaturmiljöer och farliga platser.
Rockwells Bulletin 1442 Eddy Current Probe Systems hjälper till exempel att mäta axelvibration, fas/hastighetsreferens och rotor-/stötposition på industriell utrustning. Nästa produkt i serien, Bulletin 1443 Series Accelerometer-sensorer, kan också mäta vibration på industriell utrustning. Det är en sofistikerad accelerometer med ett brett frekvensområde som börjar från 0,2 Hz (12 CPM) till en mycket hög frekvens upp till 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation har också en lösning som stödjer prediktivt underhåll och ger nyckeldiagnostik för maskinvibration med bärbara datainsamlare som kan mäta, bearbeta, visa och lagra en mängd analysfunktioner. När det gäller arbete vid låga frekvenser kan lösningen gå så lågt som 0,2 Hz eller 12 kpm. På den högre sidan kan den gå upp till 30 kHz eller 1800 kpm. Den kan också fungera vid mycket höga temperaturer, upp till 260 grader centigrade eller 500 grader Fahrenheit.
Rockwells slinganodlade vibrationssensorer med 4‑20 mA-utgång mäter signaler som representerar de totala vibrationsnivåerna som genereras av många typer av roterande maskiner. Dess intrinsiskt säkra accelerometrar har speciella kapaciteter för att möta kraven i en farlig miljö.
Under räkenskapsåret 2023 registrerade Rockwell Automation en omsättning på mer än 9,058 miljarder US$, en betydande ökning från 2022 års omsättning på 7,76 miljarder US$.
#2. Omron
Ett annat globalt företag som har gjort enastående arbete med vibrationsbaserade avkänningstekniker är Omron. De har byggt världens minsta klassstorlek, högprecisionsseismiska sensor. Den IoT‑vänliga vibrationssensorn finns under varumärket D7S.
D7S är en seismisk sensor som hjälper till att minska sekundära katastrofer från jordbävningar. Sensorn kan passa i vilken enhet som helst på grund av sin ultralilla storlek. Att vara en spektral intensitets- högprecisionsindikator för jordbävningar hjälper den att avvisa impulsvibrationsbrus och korrelera starkt med skador som har inträffat på strukturer. Det faktum att den är IoT‑vänlig hjälper den att skapa jordbävningskartor och räddningskartor.
Ur ett tillämpningsperspektiv hjälper den till att förhindra sekundära skador i halvledare, kemiska anläggningar och fördelningspaneler. Användare kan distribuera dessa sensorer i sina hem i fördelningspaneler, brandskyddssystem och hushållsapparater. Samhället kan samtidigt dra nytta av dessa sensorer genom att ha dem i elmätare, motorvägar, broar, järnvägar och mer.
Flera andra funktioner hjälper D7S att sticka ut från sina konkurrenter. Till exempel resulterar dess 3‑axliga accelerationssensor och unika SI‑värdeberäkningsalgoritm i ytmontabla kompakta moduler och låg strömförbrukning. Dess relativt högre frihetsgrad gör den lämplig för integration i enheter och förlängd drift på batteriström. Framför allt fungerar dess avstängningsutgångsterminal (INT1) likvärdigt med en konventionell mekanisk vibrationssensor, vilket säkerställer kompatibilitet med mekaniska vibrationssensorer.
In the Fiscal Year 2023 Omron tjänade en årlig omsättning på 890 miljarder yen, en mindre än 2 % ökning från föregående års omsättning på 876,1 miljarder yen.
Framtiden för vibrationsbaserad avkänning
Forskare världen över genomför många intressanta forskningsprojekt inom området vibrationsbaserade avkänningstekniker och sensorer. År 2021 föreslog ett forskarlag en lösning kallad VibroTag som kunde fungera med smartphones med olika hårdvara som ett robust och praktiskt vibrationsbaserat avkänningssystem.
Den kunde extrahera finfördelade vibrationssignaturer från olika ytor, och kringgå effekterna av miljöbrus och hårdvarurelaterade oregelbundenheter. Forskarna implementerade VibroTag på två olika Android-telefoner och utvärderade dem i flera miljöer, samlade in data från fyra individer under ett längre antal dagar. VibroTag uppnådde en genomsnittlig noggrannhet på 86,55 % och kunde känna igen 24 olika platser/ytor, även när vissa av dessa ytor var gjorda av liknande material.
En annan forskargrupp från University of Bolognas avdelning för Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) föreslog en innovativ, lågkostnads- och lättviktig Sensor Node (SN) som kunde möjliggöra snabbt utspridda sensornätverk för långsiktig och realtidsövervakning av akustisk emission (AE) och vibration (ACC). Uppställningen byggdes på ett sätt som gjorde att lösningen kunde minimera känsligheten för externt brus avsevärt. Den sensor-nära övervakningsmetoden minskade volymen av rådata drastiskt som skulle bearbetas och lagras för NDT- och SHM-ändamål.
Another research som kombinerade nanoteknologi med vibrationsbaserad avkänning var en lågfrekvent vibrationssensor (LV‑TENG) baserad på en cantilever‑bärrad triboelectrisk nanogenerator. Denna sensor kunde utföra högprecisionsvibrationsavkänning samtidigt som den effektivt samlade in vibrationsenergi.
Ett experiment som genomfördes på LV‑TENG:s effektivitet var mer än positivt. Den kunde korrekt känna av strukturell vibration med en frekvens på 0,1 Hz till 5,0 Hz och en amplitud på 2,0 mm till 10,0 mm. Även uteffspänningen följde ett positivt linjärt förhållande till frekvensen, med den anpassade korrelationskoefficienten så hög som 0,994. Forskarna var övertygade om att LV‑TENG kunde erbjuda en ny väg för låg‑frekvensvibrationsövervakning och kunna användas för strukturell hälsomonitorering inom marin teknik.
Den indirekta och direkta övervakningen av infrastrukturens hälsa, mänskliga hälsotillstånd och beteendemönster kan gynna människolivet enormt. Det kan minska skador och förbättra livet för både människa och maskin. Vibrationsbaserad avkänning är ett effektivt sätt att genomföra sådana övervakningsövningar. Integreringen av nanoteknologi i dessa avkänningsverktyg eller sensorer gör bara lösningarna enklare att använda, eftersom de är mycket portabla och kan fungera som delar av bärbara eller icke‑bärbara enheter.
Tekniken har också fått mycket uppmärksamhet eftersom den är lågkostnad och förbrukar mindre energi. Följaktligen är det en lösning som passar behoven för både inomhus- och utomhusövervakning. Framtiden, enligt forskarna, kommer att se mer intensiv forskning kring icke‑invasiva lösningar.
Ur ett tillämpningsperspektiv har den potential att tillgodose ett brett spektrum av smarta hem‑ och miljöapplikationer. Dock krävs mer arbete med signalbehandlingskapacitet och utnyttjandet av maskininlärningstekniker för att göra dessa sensorer till en ersättning för konventionella avkänningsmekanismer.
Klicka här för att lära dig om självförsörjande sensorer som kan förenkla och förbättra system.
