中科院北京纳米能源与系统研究所Materials Today：自供能积木拼插式机电指示器助力工业生产及交通运输- 大数跨境

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中科院北京纳米能源与系统研究所Materials Today：自供能积木拼插式机电指示器助力工业生产及交通运输

科学材料站

2020-09-11

导读：本文首次报道了一种采用积木拼插方式的机电指示面板，通过整合纳米发电机技术与积木拼插组装方式，构建的BIM panel 不仅能够作为可靠的机械指示器，通过翻板的颜色指示浮子位置，同时还能够以电信号的形式

文章信息

面向智能制造及交通运输安全的自供能液体监测机电指示器

单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

研究背景

随着信息技术的飞速发展，物联网、人工智能、大数据分析等技术大大改变了人们的生活方式。进入工业4.0时代，工业生产将会逐渐走向统一，由中央人工智能控制器集中调控，将工人从恶劣的工作环境中解放出来。石油、水、化工及其他液体原料普遍应用在石油化工、污水处理、交通运输等领域，被称为工业的血脉，因此人工智能大数据分析等技术在工业领域的发展离不开对液体的分布式监测。

在实际的工业应用中，液体传感器需要适应于高温、高压、腐蚀等其他恶劣的工作环境，同时还要具有稳定可靠、寿命高、易于故障排除的特点。这些苛刻要求严重限制了电子传感器在工业领域的应用，而自动控制却又依赖于电子传感器，因此为了保证系统的安全性，通常电子传感器都需要配置一台辅助的机械指示器以满足智能控制的需要，同时保证系统的可维护性。

这些机械式及电子传感器的引入造成了系统复杂度的提高，不利于系统的维护，同时还提高了生产成本。纳米发电机技术能够将机械信号直接转换成电信号，为工业传感指示器提供一种全新的技术方案。

视频展示

Movie s1. Video illustration of the simulated electric potential variation of the BIM panel at the rising process of magnetic floater

Movie s2. Video illustration of the real-time monitoring and two-position control of liquid level by BIM liquidometer

Movie s3. Video illustration of the wireless monitoring and precise control of flow rate by BIM flowmeter

Movie s4. Comparison between BIM liquidometer and traditional level meter for water feeding process monitoring in ship engine room

文章简介

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所在国际顶级期刊Material Today (影响因子：26.416) 上发表题为“Reliable mechatronic indicator for self-powered liquid sensing toward smart manufacture and safe transportation”的研究工作。

该工作首次报道了一种采用积木拼插方式的机电指示面板（BIM panel），通过整合纳米发电机（TENG）技术与积木拼插组装方式，构建的BIM panel 不仅能够作为可靠的机械指示器，通过翻板的颜色指示浮子位置，同时还能够以电信号的形式实现信号的远传从而实现自动控制及无线监控。通过磁性耦合的方式将液体与面板进行隔离，使其能够适应高温、高压、腐蚀等恶劣的工作环境并且具有超长的工作寿命。积木拼插的组装方式降低了生产成本同时简化了面板长度根据使用需求进行定制的过程。TENG技术能够保证翻板的状态与输出电信号一一对应。根据电压阶梯数量或者dv/dt的峰值数量可以可靠地获取翻板翻转数量，不受TENG电压波动的影响，这保证了BIM panel远传电信号的可靠性及准确性

作者展示了利用配置有BIM panel 的BIM液位传感器实现了水箱液位的自动控制，通过给定高低位设定值，控制系统能够根据BIM液位计的信号自动给水箱补水，将水位稳定在两个设定值之间。同时作者还展示了配置有BIM panel的BIM流量计实现管路流量无线控制的应用，利用单片机将流量信号通过wifi无线传输给电脑控制程序实现远程监控，同时电脑程序也可发送流量控制指令给单片机将液位控制在设定值。最后作者在船舶真实的机舱环境中利用BIM液位计展示了锅炉热水井水位的机旁显示及远程无线监控的实际应用，证实了机电传感器在船舶等苛刻环境下应用的可行性。

该项研究提出的机电一体式传感指示器，为工业传感器的发展提供了新的思路，对物联网及人工智能在智慧工业，城市及交通运输等领域的发展具有推动作用。

要点解析

要点一：积木拼插式机电指示面板的原理及应用展望

图1. BIM panel 的结构，原理及应用。

（a）（b）(c)积木拼插式机电指示器在船舶中用于液体信息指示及传感.（d）(e)BIM panel用于液体流量及液位监测的器件结构图。

（f）BIM panel实现液位指示及信号远传的工作原理（g）电场及磁场分布仿真图。颜色云图为电势分布，虚线为磁性浮子在空间中的磁感线分布。

（h）翻板翻转过程中两极板电压的理论结果与仿真结果的对比。

（i）浮子上升及下降过程中传感器的电压信号。

图1示例了配置有BIM panel的液位计及流量计结构，以工作原理。以液位计为例当液位上升时，浮力驱动磁性浮子上升，磁力推动磁性翻板依次从右侧翻转到左侧（图1f ），通过翻板上的颜色即可直接读取浮子位置实现液位的机械指示。

同时在翻板翻转过程中，翻板上的驻极体薄膜会驱动正电荷从右侧向左侧转移，产生电压信号。单个翻板翻转角度与电压的关系如图1h所示，根据电压的叠加原理，当所有翻板依次翻转过程中会产生如图1i的的阶梯信号，根据电压信号阶梯数量可以得出翻板翻转的数量，从而获取液位值，根据阶梯上升及下降的趋势可以获取液位升降方向。

要点二：器件结构对输出信号的影响及结构优化

图2. 仿真及实验分析各结构参数对电压信号的影响。

（a-c）翻板夹角θ对开路电压的影响（a）电场分布云图，（b）浮子上升过程中不同θ下的开路电压及（c）电压的微分。因此当翻板夹角θ=80°时信号的阶梯最明显，该夹角为最优夹角。（d-f）磁场分布与最优夹角的关系，（d）浮子磁场空间分布（e）浮子距翻板中心线不同距离（x）下中心线上的磁场方向（f）最优间距与浮子距翻板中心线距离的关系。（g-i）实验验证不同x对电压信号的影响，（g）不同x下的磁场中心线上的磁场方向示意图（h）不同x下的开路电压信号及（i）其放大图

图2探究了不同θ角时的电压信号，经过对比发现当θ=80° 时台阶状电压信号最明显，将电压进行微分，当θ=80°时峰值最尖锐，因此θ=80°为最优角度。

而θ角是由翻板处的磁场方向决定的，仿真发现当磁性浮子位置发生变化时，翻板处的磁场方向会发生改变，为了使θ达到最优值，因此仿真得到了浮子距中心线不同距离下中心线上的磁场方向的分布，并得出了各间距下的最优翻板间距，他们之间成线性关系（图2f）。并通过实验证实了仿真结果的正确性。

要点3 ：器件表征分析

图3.

.（a）实验装置图，（b）三个时刻下的浮子位置（c）浮子上升下降过程中的开路电压信号及其微分信号，（d）不同浮子运动速度下开路电压信号，（e）测量液位与实际液位的关系（f）测量的液位升降速度与实际速度的关系。

图3浮子每经过一个翻板会产生一个电压阶梯，浮子上升过程中电压为上升的阶梯，相反浮子下降过程中电压为下降阶梯，通过对电压进行微分能够清楚的显示出阶梯出现的位置。

当浮子以不同速度运动时，根据传感器电压信号的阶梯数量能够实时监测浮子位置，且测量误差不会随移动距离的增加而积累。

图4. BIM panel用于液位指示及自动控制。

（a）配备有BIM液位计的锅炉给水系统示意图（b）模拟实验装置及（c）自控阀门照片 (d) 液位上升下降过程中实时获取的dv/dt信号（e）液位双位控制流程图（f-g）液位从高位设定值下降过程中某一时刻液位计指示的液位（f），及远程监测端获取的液位（g），及获取的实时dv/dt信号（h）。（i-k）当液位下降到低位设定值时，机旁及远程监测端同步显示实时液位，同时远程监测端发出报警并控制补水阀开启向水箱补水。（i-n）当液位上升到高位设定值时，补水阀关闭。

图4，用BIM 液位计实现了经典的水位双位控制，机旁及远程监测端能够同步显示液位值，保证了当远程监测系统出现故障时仍能够通过面板在机旁获取液位值，从而进行手动故障排除，保证了机械系统的可靠性及可维护性，同时赋予了系统自动控制，远程监测的能力。

要点4：无线流量监控系统助力于工业物联网的发展

图5. BIM panel用于流量远程无线监控。

（a）流量无线控制系统，包括BIM流量计，信号采集处理单元，电控阀及远程监控程序。（b）信号采集，处理及无线传输电路及（c）原理图（d）流量无线控制流程图.（e）信号采集处理单元采集到的各通道的电压信号（f）BIM液位计及流量计在石油，化工交通运输等领域的应用展望。

本应用实现了流量的无线控制。电脑上位机程序通过WIFI给数据采集处理单元发送流量设定指令，处理单元实时获取BIM流量计信号，通过比例积分微分算法将流量稳定在设定值，同时将实时流量无线发送给电脑监控系统，保证机旁面板显示流量值与远程监控流量值的一致性。

要点 5：机电一体式传感器助力于船舶物联网系统的发展

图6. 船舶锅炉给水系统的液位监测。

（a）船舶中需要液位或流量监控的主要的液体系统.

（b) 定装式BIM 液位计结构示意图

（c）锅炉补水箱液位监测电脑端程序

（d）手机APP

（e-f）通过BIM液位计实现电脑及手机对船舶锅炉给水箱水位的实时监控

结论

我们构建了一个易于制造的TENG积木拼插式机电一体化指示面板用于液位和流量监控。由于其独特的结构设计，它不仅继承了传统机械传感器所具有的稳定性和可靠性高的特点，同时也具有电信号远传的能力从而实现电气控制和远程监控。简单高效的积木拼插组装方式易于加工，在发生事故的情况下便于机组人员维修，并且还可以大大降低了生产成本，方便面板长度定制。

更重要的是，最大测量误差不超过翻板间距且最大误差不会随面板长度的增加而增大（翻板间距为16 mm，水箱高度为2 m时最大测量误差为0.8％），该最大误差可以通过增加翻板密度来进一步降低，翻板密度可以方便地根据实际测量精度定制。配备BIM面板的液体监控系统能够实现液位和流量的自动控制和无线实时监测。

证明其应用在交通运输、石油开采、污水处理、化学工厂和其他工业领域的可行性。我们希望越来越多的机电式传感器被发明出来，他们通过网络连接到中央控制器来集中控制，最终可能在不久的将来实现船舶和工厂的自动驾驶及远程控制。

文章链接

Reliable mechatronic indicator for self-powered liquid sensing toward smart Manufacture and safe transportation

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120302133