Nanostringler, Titreşim Tabanlı Sensörlerin Daha Geniş Kullanıma Uyarlanması İçin Yeni Sınırlar Açıyor

Son teknoloji mikroçipler ve gelişmiş sensörler, süper hızlı iletişimin ve daha fazlasının olduğu günümüzde üstel sıçramalar yapmamıza yardımcı olacak araçlardır. Daha önce bilinen herhangi bir katı hal nesnesinden daha uzun titreşen yeni bir tür nanosicim yapmanın yolunu açan yeni araştırma, bir atılım olabilir. Süper hassas sensörlerin standart mikroçip teknolojisiyle entegre edilmesine yardımcı olabilir ve bu da titreşim tabanlı algılamada yeni bir paradigmaya yol açabilir.

Dünyanın En Hassas Sensörleri: Nanoteknoloji ve ML için Zarfı Zorluyor 

TU Delft ve Brown Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi şunu ortaya çıkardı: tellere benzeyen rezonatörler ve ortam sıcaklığında şu ana kadar bildiğimiz diğer katı hal nesnelerinden daha uzun süre titreşebilir. Ortam sıcaklığında ürettiği sonuçlar yalnızca başarılmak daha önce mutlak sıfır sıcaklıklardaydı. 

Bilimsel açıdan konuşursak, araştırmacılar nanometre kalınlığını korurken uzunluğu santimetreye kadar uzayan nanomekanik rezonatörler sundular. Bu özellik, oda sıcaklığındaki ortamlardaki tüm kenetleme nesneleri arasında en yüksek mekanik kaliteye sahip nano dizilerle sonuçlanır. Bu durumda kenetleme nesnesi bir mikroçiptir. 

Araştırmacılar konuşlandırıldı yüksek verim elde edilmesine yardımcı olan hassas nanofabrikasyon teknikleri. 

İşlevsel bir perspektiften açıklamak gerekirse, enerjinin titreşen bir nesneden ne kadar iyi çınladığı söz konusu olduğunda, bu teller özellikle titreşimleri hapsedebiliyor ve enerjilerinin dışarı sızmasına izin vermiyordu. 

Makine öğrenimi, nanofabrikasyon ve tasarım optimizasyonu arasındaki sinerjiyi yönlendirdi. Mekanik kalite o kadar geliştirildi ki frekansların 10 milyar kilohertz'e yaklaştığını. Bu tür mekanik frekanslar, önde gelen kriyojenik rezonatörlerin ve havaya kaldırılan nanokürelerin performansıyla karşılaştırılabilir. 

Doçent Richard Norte, araştırmanın önemini anlatırken şunları söyledi:

“Bir kez itildiğinde neredeyse 100 yıl boyunca sallanmaya devam eden bir salıncağı hayal edin çünkü halatlardan neredeyse hiç enerji kaybetmiyor. Nano-iplerimiz de benzer bir şey yapıyor, ancak bir salınım gibi saniyede bir kez titreşmek yerine, bizim tellerimiz saniyede 100,000 kez titreşiyor. Enerjinin dışarı sızması zor olduğundan, bu aynı zamanda çevresel gürültünün içeri girmesinin de zor olduğu anlamına gelir; bu da bu sensörleri oda sıcaklığındaki ortamlar için en iyi sensörlerden biri haline getiriyor."

Çözümün üretim sürecinin gelişimi aynı zamanda nanoteknoloji alanında da radikal bir değişime işaret ediyor. Bunun nedenini açıklayan araştırma ekibinin lideri Dr. Andrea Cupertino, tellerin büyütüldüğünde 3 santimetre uzunluğunda ve 70 nanometre kalınlığında olmasına rağmen, 'yarım kilometre asılı camdan gitar teli üretimine' eşdeğer olduğunu söyledi. neredeyse hiç sarkma yok.' 

Bu özellikler, çözümü, şu ana kadar nanoteknolojiyi algıladığımız şekilde elde edilmesi çok zor olabilecek aşırı günlük uygulamalar için uygun hale getiriyor. 

CMOS kısa dalga kızılötesi sensörlerin görünmeyeni nasıl yorumlayabildiğini öğrenmek için burayı tıklayın.

Çözümün Uygulama Potansiyeli

Bu yenilik, makroskobik kuantum olaylarının oda sıcaklığında incelenmesi alanında yeni ufuklar açıyor. Şu ana kadar araştırmada maskelendi gürültüyle. Ancak nano sicimler bu sesleri izole edebilir ve milyarlarca atomdan oluşan sicimlerde kuantum mekaniği yasalarının tanınabilir olmasını sağlayabilir. Bu fenomen daha önce tek atomlarla sınırlıydı. Tek bir atomdan bir dizi atoma doğru olan bu değişim, günlük ortamlarda kuantum bazlı algılama açısından büyük bir potansiyele sahiptir. 

Nanosicimler aynı zamanda MEMS algılama olarak da bilinen, basınç, sıcaklık, ivme ve manyetik alanlar gibi fiziksel büyüklükleri ölçen minyatür cihazlarda özellikle yararlı olabilecek yapıların oluşturulmasına da olanak tanıyor. 

Bilim adamları, araştırmanın şu ana kadar bildiğimiz uygulamalı bilimin sınırlarının ötesine geçeceğini ve bize yüksek hassasiyete sahip sensörlerin standart mikroçip teknolojisiyle nasıl entegre edilebileceğini göstererek araştırmacıların keşfetmesi için titreşim tabanlı algılamada yeni potansiyel ortaya çıkaracağını umuyor. 

Kapsam genişletilirse çalışma, eylemsiz navigasyon için hızlanma veya yeni nesil mikrofonlar için titreşimli davul kafası gibi birçok önemli parametreyi ölçebilen daha karmaşık tasarımların geliştirilmesine yol açabilir. 

Uzun bir süredir araştırmacılar, müdahaleci olmayan bir izleme teknolojisi olarak titreşim sensörlerinin potansiyelini değerlendirme konusuyla ilgileniyorlar. Mevcut araştırmaların gözden geçirilmesi, titreşime dayalı algılama teknolojilerinin insan, altyapı, güvenlik ve sağlık izleme dahil olmak üzere çeşitli alanlarda yararlı olabileceğini gösterdi. 

Aşağıdaki bölümlerde nanosicim titreşimlerini içeren araştırmalardan faydalanabilecek bu uygulama alanlarına bakacağız. 

Titreşim Tabanlı Algılama Teknolojileri Çözüm Geliştirmemize Nasıl Yardımcı Olur?

Titreşime dayalı gönderme teknolojileri teşhis ve sağlık hizmetlerinde son derece faydalıdır. Nedeni basit. Doğal fizyolojik aktiviteler nedeniyle vücudumuzda yayılan mekanik dalgalar, vücut oryantasyonu, solunum, nabız, yürüyüş, hareket ve daha fazlası dahil olmak üzere bir dizi bedensel olay hakkında bilgi içeren açıklayıcı sinyallerdir. Bu mekanik titreşimli sinyallerin yakalanması, gelişmiş titreşim tabanlı algılama teknolojileri gerektirir. 

Bu algılama teknolojileri aynı zamanda Günlük Yaşam Aktivitesi (ADL) ve daha fazlası gibi bir dizi insan davranışını da izler. İvmeölçerler, jiroskoplar ve manyetometreler gibi atalet sensörleri, elektrokardiyogram cihazları gibi fiziksel sağlık sensörleri, cilt sıcaklığı sensörleri ve kuvvet/basınç sensörleri vardır. 

Titreşime dayalı algılama, tüm bu sensörlerde başarılı çıkarımların sağlanmasında önemli bir role sahiptir. Ayrıca doluluk bilgisi çıkarım hizmetleri dediğimiz hizmetlerde de değerli çözümler sunuyorlar. Bu hizmetler varlık takibi, bir mekandaki kişi sayısının tahmin edilmesi, lojistik, güvenlik vb. senaryoları içermektedir. 

Bu çözümler, deneklerin içinde bulundukları kapalı alana göre konumlarını tanımlamaya yardımcı olur. Aynı zamanda insanın tanımlanmasına da yardımcı olur. Yetkili kullanıcıları ve davetsiz misafirleri tanımlamaya veya düşmeyi tespit etmeye yardımcı olur. 

Titreşime dayalı algılamanın bir diğer alanı da altyapının durumunun izlenmesi, özellikle de binalarda sarsıntı nedeniyle oluşan sismik hasarın ve depremden kaynaklanan hasarların tespit edilmesidir. Günümüzde bu çözümler, altyapı sağlığını değerlendirmenin bilimsel olarak kanıtlanmış bir yolunu sunarak fırtına, kasırga ve patlama durumlarında da yardımcı oluyor.

Pek çok teknoloji şirketi halihazırda bu teknolojiden yararlanan popüler çözümler geliştirdi. titreşim tabanlı algılamanın yararları. Burada tartıştığımız araştırma onların daha fazla ilerleme kaydetmesine yardımcı olacaktır. Küresel çapta tanınan bu çözüm sağlayıcılardan biri de Rockwell Automation'dur. 

# 1. Rockwell Automation

Rockwell Automation'ın durum izleme sensörleri, aşırı sıcaklık ortamlarında ve tehlikeli konumlardaki çoğu uygulama için titreşim ve konum ölçümlerinin yapılmasına yardımcı olur. 

Örneğin Rockwell Bülteni 1442 Girdap Akımı Prob Sistemleri, endüstriyel makinelerde şaft titreşimini, faz/hız referansını ve rotor/itme konumunu ölçmeye yardımcı olur. Serinin bir sonraki ürünü olan Bulletin 1443 Serisi İvmeölçer sensörleri, endüstriyel makinelerdeki titreşimi de ölçebilir. 0.2 Hz'den (12 CPM) başlayıp 26 kHz'e (1560 kpm) kadar çok yüksek bir frekansa kadar geniş bir frekans aralığına sahip gelişmiş bir ivmeölçerdir.

Rockwell Automation aynı zamanda kestirimci bakım çalışmalarını destekleyen ve çeşitli analiz işlevlerini ölçebilen, işleyebilen, görüntüleyebilen ve depolayabilen taşınabilir veri toplayıcılarla temel makine titreşim teşhislerini sağlayan bir çözüme de sahiptir. Düşük frekanslarda çalışma söz konusu olduğunda çözüm 0.2 Hz veya 12 kpm'ye kadar düşebilir. Üst tarafta 30 kHz'e veya 1800 kpm'ye kadar çıkabilir. Ayrıca 260 santigrat dereceye veya 500 Fahrenheit dereceye kadar çok yüksek sıcaklıklarda da çalışabilir. 

Rockwell'in döngüden güç alan, 4-20 mA çıkışlı titreşim sensörleri, birçok dönen makine türü tarafından üretilen genel titreşim seviyelerini temsil eden sinyalleri ölçer. Kendinden emniyetli ivmeölçerler, tehlikeli bir ortamın taleplerini karşılamak için özel yeteneklere sahiptir. 

2023 mali yılında, Rockwell Automation gelir elde etti 9.058 yılında elde ettiği 2022 milyar ABD dolarına kıyasla önemli bir artışla 7.76 milyar ABD dolarını aştı.

# 2. Omron

Titreşim tabanlı algılama teknolojileriyle mükemmel işler yapan bir diğer küresel şirket de Omron'dur. İnşa etti dünyanın en küçük sınıf boyutuna sahip, yüksek hassasiyetli sismik sensörü. Nesnelerin İnterneti dostu titreşim sensörü D7S markası altındadır. 

D7S, depremlerden kaynaklanan ikincil felaketlerin azaltılmasına yardımcı olan sismik bir sensördür. Sensör, ultra küçük boyutundan dolayı her cihaza sığabilir. Spektral yoğunlukta, yüksek hassasiyette bir deprem göstergesi olması, darbeli titreşim gürültüsünü reddetmesine ve yapılarda meydana gelen hasarla yüksek düzeyde korelasyon kurmasına yardımcı olur. Nesnelerin İnterneti dostu olması deprem haritaları ve kurtarma haritaları oluşturulmasına yardımcı oluyor. 

Uygulama açısından yarı iletkenlerde, kimya tesislerinde ve dağıtım panellerinde ikincil hasarların önlenmesine yardımcı olur. Kullanıcılar bu sensörleri evlerinde dağıtım panelleri, yangın önleme sistemleri ve ev aletlerine yerleştirebilirler. Bu arada toplum, bu sensörleri elektrik sayaçlarında, otoyollarda, köprülerde, demiryollarında ve daha fazlasında bulundurarak yararlanabilir.

Diğer bazı özellikler D7S'in emsallerinden öne çıkmasına yardımcı olur. Örneğin, 3 eksenli hızlanma Sensörü ve benzersiz SI değeri hesaplama algoritması, yüzeye monte edilebilir kompakt modüller ve düşük güç tüketimi sağlar. Nispeten daha yüksek serbestlik derecesi, onu cihazlara dahil etmeye ve pil gücüyle uzun süreli çalışmaya olanak sağlar. Hepsinden önemlisi, kapatma çıkış terminali (INT1), geleneksel bir mekanik titreşim sensörüne eşdeğer şekilde çalışır ve mekanik titreşim sensörleriyle uyumluluk sağlar.

2023 Mali YılındaOmron, önceki yılın 890 milyar yenlik gelirine göre %2'den az bir artışla 876.1 milyar yenlik yıllık gelir elde etti. 

Titreşim Tabanlı Algılamanın Geleceği

Dünya çapındaki araştırmacılar, titreşime dayalı algılama teknolojileri ve sensörler alanında birçok ilginç araştırma projesi yürütüyorlar. 2021'de bir araştırmacı ekibi bir öneride bulundu: VibroTag adı verilen çözüm Bu, sağlam ve pratik bir titreşim tabanlı algılama şeması olarak farklı donanıma sahip akıllı telefonlarla çalışabilmektedir. 

Çevresel gürültünün ve donanım kaynaklı düzensizliklerin etkilerini atlayarak farklı yüzeylerin ince taneli titreşim izlerini çıkarabilir. Araştırmacılar, VibroTag'i iki farklı Android telefona uyguladılar ve bunları birden fazla ortamda değerlendirerek, dört kişiden sürekli sayıda gün boyunca veri topladılar. VibroTag ortalama yüzde 86.55 doğruluk elde etti ve 24 farklı konumu/yüzeyi tanıyabildi, hatta bu yüzeylerden bazıları yapılmıştır benzer malzemeden.

Bologna Üniversitesi'nin Akıllı Malzemeler ve Yapı Sağlığı İzleme (SMASH) kanadından bir başka araştırmacı grubu, yenilikçi, düşük maliyetli ve düşük ağırlıklı Sensör Düğümü (SN) Bu, uzun vadeli ve gerçek zamanlı akustik emisyon (AE) ve titreşim (ACC) izleme için hızlı konuşlandırılabilir sensör ağları sağlayabilir. Kurulum oluşturuldu çözüm, dış gürültüye karşı hassasiyeti önemli ölçüde en aza indirebilecek şekilde. Sensörün yakınında izleme yaklaşımı, NDT ve SHM amaçları için işlenecek ve depolanacak ham verilerin hacmini büyük ölçüde azalttı. 

Başka bir araştırma Nanoteknolojiyi titreşime dayalı algılamayla birleştiren, konsol kiriş yapılı triboelektrik nanojeneratöre dayanan düşük frekanslı bir titreşim sensörü (LV-TENG) idi. Bu sensör, titreşim enerjisini etkili bir şekilde toplarken yüksek hassasiyetli titreşim algılama gerçekleştirebilir.

LV-TENG'in verimliliği üzerine yapılan bir deney fazlasıyla olumluydu. 0.1 Hz ila 5.0 Hz frekans ve 2.0 mm ila 10.0 mm genlikteki yapı titreşimlerini doğru bir şekilde algılayabilmektedir. Çıkış voltajı bile frekansla pozitif bir doğrusal ilişki izledi ve uygun korelasyon katsayısı 0.994'e kadar ulaştı. Araştırmacılar, LV-TENG'in düşük frekanslı titreşim izleme ve izleme için yeni bir yol sağlayabileceği konusunda olumluydu. kullanılabilir deniz mühendisliğinde yapısal sağlık izleme analizi için.

Altyapı sağlığının, insan sağlığı koşullarının ve davranış kalıplarının dolaylı ve doğrudan izlenmesi insan hayatına büyük faydalar sağlayabilir. Hasarı azaltabilir ve hem insanın hem de makinenin hayatını iyileştirebilir. Titreşime dayalı algılama, bu tür izleme egzersizlerini gerçekleştirmenin etkili bir yoludur. Nanoteknolojinin bu algılama araçlarına veya sensörlere dahil edilmesi, son derece taşınabilir olmaları ve giyilebilir veya giyilemeyen cihazların parçaları olarak sığabilmeleri nedeniyle çözümlerin kullanımını yalnızca kolaylaştırır. 

Teknoloji aynı zamanda düşük maliyetli olması ve daha az güç tüketmesi nedeniyle de büyük ilgi görüyor. Sonuç olarak hem iç hem de dış mekan izleme ihtiyaçlarına uygun bir çözümdür. Araştırmacıların inandığı gibi gelecekte müdahaleci olmayan çözümlere yönelik daha yoğun araştırmalar görülecek.

Uygulama açısından geniş bir akıllı ev ve çevre uygulamaları yelpazesine hitap etme potansiyeline sahiptir. Ancak daha fazla çalışmaya ihtiyaç var yapıldı Bu sensörleri geleneksel algılama mekanizmalarının yerine koymak için sinyal işleme yetenekleri ve makine öğrenimi tekniklerinin kullanılması üzerine. 

Sistemleri basitleştirip geliştirebilen, kendi kendine çalışan sensörler hakkında bilgi edinmek için burayı tıklayın.