电力物联网（Power Internet of Things, PIoT）作为智能电网的核心技术，依赖大量分布式传感器实现电网状态实时监控。传统传感器受限于电池或者分电源线供电，存在维护成本高、续航短、或不可移动部署等问题。现有解决方案，如采用太阳能或振动能量收集，在连续、稳定供电以及效率方面存在不足。而基于传统线圈的电磁感应方法，在低频下存在无线能量传输效率低等问题。近期兴起的磁机电（MME）谐振器，虽然可在低频下实现高效率能量转换，但多数设备仅支持单一功能（如能量采集或传感），难于同时实现不同频率下的有效自供电和自传感功能。尤其在电网接地故障检测中，传统异频信号注入法需要依赖外部传感器，且后续数据处理需额外电源，这限制了部署在复杂环境中传感器的可持续长久使用。因此，为解决这一困惑，十分有必要开发一种微型化MME谐振器，可捕获电网环境中杂散低频磁场能量，实现自供电，以及实现同步无线监测电网异频电流的异常变化。
近日，北京大学董蜀湘教授团队及其合作者创新性的设计了一种“正交、双U型”结构的磁机电耦合谐振器，可同时实现电网磁场能量采集与异频电流信号无线检测的功能，如图1所示。
图1 正交、双U型MME谐振器的工作原理及其在配电网环境中的运行示意图。
图2 （a，b）双U型MME谐振器在50Hz和185Hz频率下对称解耦双模弯曲振动的示意图。
该谐振器由两个相互垂直正交的U型MME谐振器组合而成，分别具有不同的长度和不同质量的永磁体，这使得它们可以响应不同频率的入射磁场。如图2所示，能量采集谐振器（EH U-finger A）的谐振频率设计在工频频率，可高效的采集电力线工频电流产生的杂散辐射磁场能量；而传感谐振器（sensing U-finger B）的谐振频率设计在异频注入电流的工作频率，可敏锐监测非工频注入电流的异常信号。由于两个U型谐振器在结构和工作频率上的正交解耦设计，两个谐振器可独立和同步工作，同时实现能量采集与异频电流信号感知，且两者互不干扰。
值得特别指出的是，本研究提出的EH U-finger A和sensing U-finger B均设计在U型对称振动工作模态，其磁电耦合系数相比传统单悬臂梁谐振结构提升了430%。该器件在极弱磁场环境下表现出了优异性能：在0.5 Oe工频磁场下，能量采集谐振器EH U-finger A产生的输出功率可达1.53 mWRMS；而在0.1 Oe极弱磁场下，其归一化功率密度可达10.97μW Hz-1 Oe-2 cm-3，是目前已报道的同类MME能量采集谐振器中的最好水平。同时，磁传感谐振器sensing U-finger B对异频入射磁场的响应灵敏度高达102 kV/T，磁场探测极限为710 pT，而它的等效磁噪声仅2.04 pT/√Hz，且几乎不受能量采集谐振器EH U-finger A的干扰。
该双 U 型 MME 谐振器创新性地实现了同步能量采集和传感的功能集成，通过对称解耦双频设计，突破了传统 MME 器件功能单一的局限，同步提升了弱磁场能量转换效率与磁场传感灵敏度，为电力物联网中分布式传感器的长期自主运行开辟了新途径，助力智能电网向更高效、可持续的智能化方向发展。
该成果发表在《Advanced Science》，题目为：“A Self-Powered Double U-Finger MME Resonator Capable of Wirelessly Capturing Abnormal Message in Smart Grid Networks”。文章DOI为：10.1002/advs.202508149。
该成果第一作者是深圳大学机电与控制工程学院23级硕士生郑心怡；海南大学成植副研究员、西安交通大学常江磊助理教授、深圳大学方仕童副研究员，以及北京大学董蜀湘教授为该论文的通讯作者。该研究工作获得了国家重点研发计划等项目的资助。
