【摘 要】
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自供能无线传感在太空探索、工业生产领域以及环境监测等领域有着十分广阔的应用场景。然而,目前大多数的自供能传感器都是通过收集能量,储存能量和能量管理等芯片模块的集成系统来实现的,收集的能量要在多个模块间进行转换,造成极大的能量浪费,能量收集效率极低,长时间的能量收集仅能够提供给系统工作极短的一段时间,无法实现传感信息的实时采集,而传感信息的实时性则是环境监测中十分重要的参数。在本研究中,我们提出了一
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自供能无线传感在太空探索、工业生产领域以及环境监测等领域有着十分广阔的应用场景。然而,目前大多数的自供能传感器都是通过收集能量,储存能量和能量管理等芯片模块的集成系统来实现的,收集的能量要在多个模块间进行转换,造成极大的能量浪费,能量收集效率极低,长时间的能量收集仅能够提供给系统工作极短的一段时间,无法实现传感信息的实时采集,而传感信息的实时性则是环境监测中十分重要的参数。在本研究中,我们提出了一款基于摩擦纳米发电机（TENG）的无线无源传感系统,该系统能够适用于一般的传感应用场景,且不需要能量储存和能量管理电路等芯片,而是通过TENG和LC谐振电路的结合,直接将传感信号转换为RF信号,实现了完全自供能的远距离、实时、无线传感。本工作的主要研究内容如下:（1）通过理论研究,建立了基于TENG的完全自供能无线传感系统的理论,并进行了实验验证。利用电容式传感器作为LC谐振电路的一部分,与TENG集成构成一个自供能的谐振电路,将TENG的输出能量转换为衰减的谐振信号,并将传感信息耦合在该谐振信号的频率中。通过谐振耦合,将该信号通过接收系统（线圈等）实现实时无线传感。在直径为15cm的线圈下,实现了最大传输距离为1.5m的无线传感。（2）探究了该系统的影响因素以及对应的优化方案,分别探究了TENG器件尺寸对信号频率和幅值的影响,线圈类型对信号传输距离的影响,发射端谐振电路的品质因数Q因子对传输距离的影响以及优化方案。（3）以前述系统为基础,根据两种应用场景,设计了不同类型的自供能瞬时传感器,分别为无线湿度传感器和无线液位传感器。这两种传感器均可实现完全自供能的实时无线传感。无线湿度传感器能准确探测环境湿度的变化。无线液位传感器不仅能够识别液位的变化,还能识别液体的类型。
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