唐群委教授团队在自驱动智慧交通领域取得重要进展

发布单位:机构人员汇总 [2021-11-24 00:00:00] 打印此信息

近日,信息科学技术学院唐群委教授课题组在摩擦电传感器阵列助力基于物联网的智慧交通监测和管理系统领域取得重要进展。论文以“Triboelectric Sensor Array for Internet of Things based Smart Traffic Monitoring and Management System”为题发表在Nano Energy (IF=17.881)杂志上,杨希娅副教授、刘广庆博士后、郭琪瑶博士后为共同第一作者,杨希娅副教授和唐群委教授为共同通讯作者。

(NanoEnergy期刊截图)

随着 5G网络和物联网 (IoT) 等先进技术的发展,越来越多的传感器和相应的应用程序不断涌现,然而,传感器供电已成为亟需解决的技术问题。交通管理系统中的物联网应用迫切需要开发具有便携、低能耗和无线连接的自供能监测系统,以进一步提高道路交通安全和运输效率。

近年来,基于摩擦电效应和静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机 (Triboelectric nanogenerator, 简称TENG) 已开发出各种类型的自供能传感装置,目前报道的大多数摩擦电传感器的工作均采用电压或电流作为传感监测信号,但是高电压输出与后续的传感电路不兼容,相对较长的恢复时间无法满足快速响应和高灵敏度的要求。另一方面,阻抗失配问题也成为信号处理和传输的一大难题,并严重制约了摩擦电传感器的进一步商业化。

该工作开发了一种基于静电纺丝复合纳米纤维制成的自供电摩擦电传感器(CN-STS) 并应用于基于物联网的智能交通监测与管理系统。通过向PVDF静电纺丝纤维中掺杂多壁碳纳米管调控复合纤维膜的介电性,以进一步提高输出性能和压力灵敏度。同时通过系统比较CN-STS输出电压、电流和电荷密度的电学输出性能、响应时间、灵敏度等性能指标,优化选择了适用于动态流量监控的转移电荷密度作为记录细微差异的传感信号。在低压范围 (0至75千帕),CN-STS可以达到0.0406 μCm-2kPa-1的相对较高的灵敏度,在较高的压力范围(75至425千帕),CN-STS的灵敏度为0.0032 μCm-2kPa-1,表明CN-STS适用于较低压强的检测范围。在云端物联网平台的辅助下,CN-STS阵列通过电源管理电路实现了交通流管理、压线和超速车辆捕捉、车牌号识别等功能。在电源管理电路中采用电荷放大器来处理电荷输入信号,以更好地区分来自非车辆的信号,并稳定电压输出,以便通过Raspberry Pi中的A/D转换器进一步读取。

该工作所研发的基于摩擦电 CN-STS 传感器阵列的智能交通监测与管理系统可进一步与大数据平台相集成,以分析更复杂的路况,记录交通违法等行为,通过交通信息收集及时分析和识别潜在危害,为TENG开辟了新的潜在应用领域。

该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等科研项目的资助。近年来,唐群委和杨希娅等教师组成的科研团队,围绕高性能驻极体制备、混合效应能量采集、摩擦电荷密度提升等关键问题,致力于波浪能、人体动能等低频机械能转换材料与传感器件的研发,获得了一系列原创性研究成果。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106757

(信息科学技术学院)

责编:苏倩怡


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