雖然“韋根效應(yīng)”已被成功應(yīng)用于多種專業(yè)應(yīng)用，但其在能量收集和信號生成方面的全部潛力尚未獲得有限的認(rèn)可。

隨著Wiegand設(shè)備近期能量輸出的提升以及新一代超高效電子芯片的出現(xiàn)，該技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力。UBITO作為FRABA科技公司集團(tuán)成員，正在領(lǐng)導(dǎo)旨在實現(xiàn)這一承諾的研發(fā)項目。

關(guān)于韋根效應(yīng)

韋根效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象，由美國發(fā)明家 John Wiegand 于1970年代發(fā)現(xiàn)，他開發(fā)了一種改變鐵磁性線磁性的工藝。當(dāng)“韋根絲”樣品暴露在反向的外部磁場中時，最初會保持其原始磁性狀態(tài)。

然而，當(dāng)外部磁場強度達(dá)到臨界閾值時，導(dǎo)線中磁性較軟的區(qū)域極性會發(fā)生突然反轉(zhuǎn)。這一轉(zhuǎn)變發(fā)生在幾微秒內(nèi)，可以通過細(xì)銅線圈在纏繞導(dǎo)線的細(xì)銅線圈中感應(yīng)出電流脈沖。

韋根絲產(chǎn)生的電脈沖非常短暫，但其強度幾乎保持恒定，無論外部磁場變化多快或多慢。這正是韋根效應(yīng)的特殊之處：使用韋根絲時，每次磁場反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能在廣泛的速度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

相比之下，雖然簡單的發(fā)電機能有效將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為電能，但其輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化。在低速時，動力水平可能過低而難以發(fā)揮作用。

短段韋根絲與周圍銅線圈的組合稱為韋根傳感器。

韋根傳感器作為事件感應(yīng)器件表現(xiàn)良好，能產(chǎn)生具有良好信噪比特性的獨特能量脈沖。典型應(yīng)用包括流體流量計和多圈旋轉(zhuǎn)編碼器。這里，永久磁鐵安裝在器件的旋轉(zhuǎn)軸上，靠近韋根傳感器（見圖1）。

1. 該韋根傳感器用作流體流量計中的旋轉(zhuǎn)檢測器。

當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，磁場的旋轉(zhuǎn)會觸發(fā)韋根絲的極性突然反轉(zhuǎn)，從而在銅線圈中產(chǎn)生電流脈沖。每個電流脈沖的強度和持續(xù)時間與軸旋轉(zhuǎn)的速度或緩慢無關(guān)。

利用能量收集推動創(chuàng)新

“能量收割”指的是從當(dāng)?shù)丨h(huán)境中提取能量以驅(qū)動電子設(shè)備的技術(shù)。目前有多種可用方法，包括光伏（光能）、熱電和火電效應(yīng)（來自溫度變化的能量）、壓電和靜電器件（機械運動產(chǎn)生的能量）。

韋根傳感器是能量收集的良好候選對象。這些裝置的基本形式能產(chǎn)生適中的能量——約200 nJ。然而，這足以為低功耗電子電路通電。

在流量計或編碼器中，韋根傳感器檢測電子計數(shù)系統(tǒng)中的軸轉(zhuǎn)動和功率。這意味著計數(shù)系統(tǒng)本質(zhì)上是自供電的，即使在系統(tǒng)無電時也會發(fā)生旋轉(zhuǎn)次數(shù)，仍能可靠地統(tǒng)計所經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。無需安裝、測試、更換和處理備用電池，維護(hù)成本大幅降低。

構(gòu)建能源自給自足的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點

近期的發(fā)展顯著提升了韋根器件的能量輸出，并為更宏大的應(yīng)用開辟了可能性。

由UBITO/FRABA技術(shù)中心和德國萊茵蘭-威斯特法倫理工大學(xué)的研究團(tuán)隊開展的研發(fā)項目，并得到德國科學(xué)技術(shù)部的支持，開發(fā)出了優(yōu)化發(fā)電的韋根器件。

這些“韋根采集器”包含多束線段，每次觸發(fā)事件可產(chǎn)生高達(dá)9微焦耳的能量——約為“普通”韋根傳感器輸出的50倍。

作為演示，研究人員將一對韋根收割機安裝在窗框的靜止部分，活動部分安裝了一個條形磁鐵。開關(guān)窗戶會觸發(fā)韋根效應(yīng)，產(chǎn)生足夠能量為低功耗超寬帶（UWB）無線電收發(fā)器充能，傳輸距離為60米（見圖2）。

2. 圖中為韋根收割機（右）和韋根傳感器（左上角）。

這一演示表明，新一代自供能傳感器能夠監(jiān)控物理動作并無線向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送通知信號的可行性。其他條件數(shù)據(jù)如溫度也可以編碼進(jìn)信號中。

這種能源自給自足、無需維護(hù)的設(shè)備可能成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。正如FRABA技術(shù)發(fā)展主管Christian Fell所解釋：“物聯(lián)網(wǎng)的愿景要求將數(shù)千個智能傳感器分布在家庭、商業(yè)設(shè)施和數(shù)字工廠，收集數(shù)據(jù)用于監(jiān)控、安全和流程優(yōu)化。如果這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)能源自給自足，直接從周圍收集電力以驅(qū)動運行和無線通信，將帶來極大益處，簡化網(wǎng)絡(luò)部署和降低維護(hù)成本?！?/p>

維根效應(yīng)可以為任何存在變化磁場的地方的遠(yuǎn)程傳感器提供極佳的電源。

展望未來

Wiegand技術(shù)在流體計量和旋轉(zhuǎn)編碼器等細(xì)分領(lǐng)域取得了成功。它還具有更高級的應(yīng)用潛力，既作為機械運動檢測傳感器，也作為自給電子設(shè)備的能量收集裝置。Wiegand技術(shù)的優(yōu)勢包括在多種運行速度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能和長期可靠性。

UBITO 進(jìn)行的研發(fā)正在提升 Wiegand 發(fā)電機的能量輸出，并為新一代自給自足、零維護(hù)、無線傳感器創(chuàng)造可能性，這些傳感器設(shè)計用于新興物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的節(jié)點。