Transformatorowe generatory energii do bezprzewodowych sieci samozasilających się czujników w budynkach inteligentnych

W nowoczesnych budynkach bezprzewodowe sensory są stosowane nie tylko do wykrywania dymu, detekcji ruchu i kontroli dostępu ale również do systemów monitorowania bezpieczeństwa strukturalnego budynku w zakresie bezstykowego pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych oraz drgań ich konstrukcji. Ten niezwykle ważny obszar zastosowań wymusza poszukiwania nowych lepszych technologii pozwalających na ich miniaturyzację, co związane jest z eliminacją tradycyjnego bateryjnego zasilania tych urządzeń. Ten aspekt jest w szczególności istotny do monitorowania wibracji zabetonowanych elementów konstrukcyjnych w warunkach środowiskowych uniemożliwiających wymianę zużytych baterii. Polimerowy kompozyt tworzący strukturę transformatora magnetoelektrycznego (ME) składający się z mieszaniny ceramiki piezoelektrycznej i magnetostrykcyjnej w osnowie z materiału polimerowego (Poliamid) został wytworzony z przeznaczeniem d o tego typu aplikacji. Na wskutek oddziaływania pola magnetycznego następuje zmiana ukierunkowania domen ferromagnetycznych w materiale magnetostrykcyjnym powiązana z wytworzeniem naprężeń mechanicznych. Powstałe naprężenia zostają przeniesione przez poliamidową osnowę na materiał piezoelektryczny, gdzie na zasadzie efektu piezoelektrycznego następuje generacja napięcia oraz zmiana jego parametrów elektrycznych. Pomiary współczynników transformacji energii pola magnetycznego na elektryczną przeprowadzano metodą mostkową na podstawie analizy fazowej i amplitudowej impedancji. Wykazano, że praktycznym zastosowaniem otrzymanego transformatora magnetoelektrycznego mogą być generatory energii elektrycznej wykorzystujące w swej zasadzie działania konwersję energii drgań i pola magnetycznego na elektryczną w opisywanym materiale kompozytowym.

In modern smart building wireless sensors applications are used not only for direct smoke and intruder detection but mainly for structural safety of buildings in non-contact measurement of linear and angular displacement as well as construction vibrations. This very important area of applications enforces the search for new and better technologies to their miniaturization, in a first place with elimination of batteries. This aspect is extremely significant in harsh environmental conditions for vibration monitoring of concreted structure. Polymer composite material for magnetoelectric (ME) transformer consisting of a mixture of piezoelectric and the magnetostrictive material in a polyamide matrix (polymer with amid bond) was manufactured for this application and has been tested in an AC magnetic field. The mechanical tensions created from reoriented ferromagnetic domains generate a voltage at the electrodes surfaces due to the piezoelectric effect via tensions transmitted by polyamide matrix. Measurements of these transformation coefficients is carried out by a bridge technique on the basis of the amplitude and phase impedance characteristics. Finally it was demonstrated that the practical application of the created composite can be ME Transformer for voltage generations in wireless sensor network systems.