利用Wiegand能量收集技术为物联网设备供能

虽然“韦根效应”已被成功应用于多种专业应用，但其在能量收集和信号生成方面的全部潜力尚未获得有限的认可。

随着Wiegand设备近期能量输出的提升以及新一代超高效电子芯片的出现，该技术在物联网（IoT）领域展现出显著潜力。UBITO作为FRABA科技公司集团成员，正在领导旨在实现这一承诺的研发项目。

关于韦根效应

韦根效应是一种物理现象，由美国发明家 John Wiegand 于1970年代发现，他开发了一种改变铁磁性线磁性的工艺。当“韦根丝”样品暴露在反向的外部磁场中时，最初会保持其原始磁性状态。

然而，当外部磁场强度达到临界阈值时，导线中磁性较软的区域极性会发生突然反转。这一转变发生在几微秒内，可以通过细铜线圈在缠绕导线的细铜线圈中感应出电流脉冲。

韦根丝产生的电脉冲非常短暂，但其强度几乎保持恒定，无论外部磁场变化多快或多慢。这正是韦根效应的特殊之处：使用韦根丝时，每次磁场反转产生的电能在广泛的速度范围内保持稳定。

相比之下，虽然简单的发电机能有效将旋转运动转化为电能，但其输出功率随转速变化。在低速时，动力水平可能过低而难以发挥作用。

短段韦根丝与周围铜线圈的组合称为韦根传感器。

韦根传感器作为事件感应器件表现良好，能产生具有良好信噪比特性的独特能量脉冲。典型应用包括流体流量计和多圈旋转编码器。这里，永久磁铁安装在器件的旋转轴上，靠近韦根传感器（见图1）。

1. 该韦根传感器用作流体流量计中的旋转检测器。

当轴旋转时，磁场的旋转会触发韦根丝的极性突然反转，从而在铜线圈中产生电流脉冲。每个电流脉冲的强度和持续时间与轴旋转的速度或缓慢无关。

利用能量收集推动创新

“能量收割”指的是从当地环境中提取能量以驱动电子设备的技术。目前有多种可用方法，包括光伏（光能）、热电和火电效应（来自温度变化的能量）、压电和静电器件（机械运动产生的能量）。

韦根传感器是能量收集的良好候选对象。这些装置的基本形式能产生适中的能量——约200 nJ。然而，这足以为低功耗电子电路通电。

在流量计或编码器中，韦根传感器检测电子计数系统中的轴转动和功率。这意味着计数系统本质上是自供电的，即使在系统无电时也会发生旋转次数，仍能可靠地统计所经历的旋转次数。无需安装、测试、更换和处理备用电池，维护成本大幅降低。

构建能源自给自足的物联网节点

近期的发展显著提升了韦根器件的能量输出，并为更宏大的应用开辟了可能性。

由UBITO/FRABA技术中心和德国莱茵兰-威斯特法伦理工大学的研究团队开展的研发项目，并得到德国科学技术部的支持，开发出了优化发电的韦根器件。

这些“韦根采集器”包含多束线段，每次触发事件可产生高达9微焦耳的能量——约为“普通”韦根传感器输出的50倍。

作为演示，研究人员将一对韦根收割机安装在窗框的静止部分，活动部分安装了一个条形磁铁。开关窗户会触发韦根效应，产生足够能量为低功耗超宽带（UWB）无线电收发器充能，传输距离为60米（见图2）。

2. 图中为韦根收割机（右）和韦根传感器（左上角）。

这一演示表明，新一代自供能传感器能够监控物理动作并无线向监控系统发送通知信号的可行性。其他条件数据如温度也可以编码进信号中。

这种能源自给自足、无需维护的设备可能成为物联网的重要组成部分。正如FRABA技术发展主管Christian Fell所解释：“物联网的愿景要求将数千个智能传感器分布在家庭、商业设施和数字工厂，收集数据用于监控、安全和流程优化。如果这些设备能够实现能源自给自足，直接从周围收集电力以驱动运行和无线通信，将带来极大益处，简化网络部署和降低维护成本。”

维根效应可以为任何存在变化磁场的地方的远程传感器提供极佳的电源。

展望未来

Wiegand技术在流体计量和旋转编码器等细分领域取得了成功。它还具有更高级的应用潜力，既作为机械运动检测传感器，也作为自给电子设备的能量收集装置。Wiegand技术的优势包括在多种运行速度范围内保持稳定性能和长期可靠性。

UBITO 进行的研发正在提升 Wiegand 发电机的能量输出，并为新一代自给自足、零维护、无线传感器创造可能性，这些传感器设计用于新兴物联网系统中的节点。