背景介紹

環(huán)境監(jiān)測(cè)在自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、災(zāi)害預(yù)警、戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要和不可或缺的作用。在典型的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（EMS）中，集成了各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、風(fēng)速、空氣質(zhì)量等。目前這些傳感器的供電技術(shù)主要依賴于可充電電池。但在不久的將來(lái)，隨著EMS的數(shù)量和密度在可能很大的環(huán)境中廣泛分布，為這些大量EMS更換電池變得具有挑戰(zhàn)性，甚至不切實(shí)際，特別是在人類和機(jī)器難以到達(dá)的情況下。因此，尋找驅(qū)動(dòng)各種傳感器（傳感器網(wǎng)絡(luò)）和實(shí)現(xiàn)連續(xù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的電源變得越來(lái)越重要。

近年來(lái)，由于摩擦電性、壓電性、熱電性、光電性、磁電性和熱電性，從自然環(huán)境中清除太陽(yáng)能、風(fēng)能和波浪能的環(huán)境能量收集為解決驅(qū)動(dòng)傳感器的供電挑戰(zhàn)提供了可能性。由于在沒(méi)有外部電源的情況下從環(huán)境中收集能量，基于這種能量收集技術(shù)的系統(tǒng)可以是一個(gè)可持續(xù)的自給自足系統(tǒng)[自供電系統(tǒng)]，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和能源可持續(xù)性。到目前為止，基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）的一種可以直接從自然降雨等生活環(huán)境中獲取機(jī)械能的發(fā)電機(jī)在EMS領(lǐng)域變得越來(lái)越重要，并在全球范圍內(nèi)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

由于自然降雨等環(huán)境中的大部分機(jī)械能通常具有能量密度低、極不規(guī)則的特點(diǎn)，這使得TENG每個(gè)周期產(chǎn)生的電力非常小，在振幅、頻率和密度上表現(xiàn)出高度的不規(guī)則性。直接使用這種不規(guī)則的電力作為EMS的電源會(huì)導(dǎo)致EMS中的不規(guī)則回路電流波動(dòng)，從而淹沒(méi)傳感信號(hào)（環(huán)境刺激引起的回路電流變化），導(dǎo)致EMS的傳感性能不佳。因此，開(kāi)發(fā)了一種由交流/直流轉(zhuǎn)換器、能量提取電路、蓄電池（電池或電容器）和電壓調(diào)節(jié)器（即LTC3588）組成的復(fù)雜電源管理，以收集TENG的不規(guī)則輸出，然后定期穩(wěn)定地為傳感器供電。雖然這種額外的電源管理將TENG的不規(guī)則輸出轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電源，從而避免了TENG不規(guī)則輸出對(duì)EMS傳感信號(hào)的影響，但它會(huì)導(dǎo)致額外的能量損失，使EMS只能間歇性工作，如“睡眠”到“喚醒”的工作模式，這嚴(yán)重限制了EMS進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)的能力。因此，迫切需要找到開(kāi)發(fā)用于實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)自供電傳感系統(tǒng)的方案。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)告了一種由TENG、校準(zhǔn)電阻器和并聯(lián)的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的自供電和自校準(zhǔn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SSEMS），用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和濕度。

2. 校準(zhǔn)電阻器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨不規(guī)則導(dǎo)致的TENG不規(guī)則輸出。

3. SSEMS使用該校準(zhǔn)信號(hào)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)傳感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)誤差小于5.0%的精確傳感。

4. 在瀑布和降雨下應(yīng)用SSEMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，傳感誤差低至1.0%。

圖文解析

圖1. SSEMS的設(shè)計(jì)和機(jī)制。

（A） 基于TENG的自供電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)目前面臨的挑戰(zhàn)。各種因素導(dǎo)致自供電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感失敗。T，溫度；H，濕度；L，光。（B）解決挑戰(zhàn)的SSEMS的設(shè)計(jì)和工作機(jī)制。

圖2. 感知SSEMS的性能。

（A） 基于R-TENG的SSEMS。不規(guī)則的雨滴導(dǎo)致R-TENG的輸出電流不規(guī)則，需要校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)獲得傳感器電阻。T，溫度；RH，相對(duì)濕度。（B）動(dòng)態(tài)RS（=RC·IC/IS）源自IS，并在SSEMS的實(shí)際測(cè)試中由IC隨時(shí)間校準(zhǔn)。CVS，恒壓源。（C）在雨滴高度、頻率、位置和化學(xué)成分等各種變化因素下，SSEMS的傳感性能對(duì)R-TENG的輸出不敏感。DI，去離子；L，升。

圖3. SSEMS的高精度溫度和相對(duì)濕度傳感。

（A） SSEMS測(cè)量的商用溫度傳感器的溫度RS特性（黑點(diǎn)）與固有特性（虛線）的比較。（B）SSEMS在循環(huán)試驗(yàn)下測(cè)量的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)范圍為25°至35°C。（C）20個(gè)SSEMS的靜態(tài)溫度傳感性能總結(jié)。（D）SSEMS在不同溫度下的高精度靜態(tài)溫度傳感及其相對(duì)誤差。插圖：在每個(gè)溫度下測(cè)量的七個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布。TM，測(cè)量溫度；TA，施加溫度。（E）通過(guò)SSEMS測(cè)量的商用RH傳感器的RH-RS特性（黑點(diǎn)）與固有特性（虛線）的比較。（F）SSEMS在加濕過(guò)程中測(cè)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)濕度響應(yīng)（灰色背景表示用加濕器加濕的過(guò)程）。（G）20個(gè)SSEMS的靜態(tài)相對(duì)濕度傳感性能總結(jié)。（H）不同相對(duì)濕度下SSEMS的高精度靜態(tài)相對(duì)濕度傳感及其相對(duì)誤差。插圖：在每個(gè)相對(duì)濕度下測(cè)量的七個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布。RHM，測(cè)量的相對(duì)濕度；RHA，實(shí)際的相對(duì)濕度。

圖4. 基于R-TENG陣列的SSEMS。

（A） 基于R-TENG陣列的SSEMS原理圖。（B）R-TENG陣列在四種不同跌落模式下的輸出電流。（C）基于R-TENG陣列的SSEMS在不同滴落模式下測(cè)量的溫度和相對(duì)濕度。（D）（C）中測(cè)量的溫度和相對(duì)濕度匯總。（E）基于R-TENG陣列的SSEMS在小雨、中雨和大雨下的溫度和相對(duì)濕度傳感性能。

圖5. SSEMS在瀑布和降雨下用于環(huán)境溫度和相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用。

（A） SSEMS的概念是從瀑布和降雨中收集不規(guī)則的能量，為環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器供電。T，溫度；H，濕度；L，光。（B）SSEMS的照片。插圖：校準(zhǔn)電阻器、溫度和相對(duì)濕度傳感器。T，溫度；RH，相對(duì)濕度。（C和D）SSEMS在瀑布（C）和降雨（D）下實(shí)時(shí)記錄的溫度和相對(duì)濕度。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c08364