基于新型梯形梁结构的压电俘能器设计与性能研究
这是一篇关于压电能量收集,梯形梁,切口,振动特性,有限元分析的论文, 主要内容为近年来,无线传感器网络对小规模、便携式和可再生能源提出了更大的需求,研究人员们期望用压电能量收集技术取代日渐暴露出更多问题的传统电化学电池以延长无线传感器的使用寿命。本文以进一步提升压电俘能器的电学输出为目标,开展基于梯形梁压电俘能器的研究,具有一定的科学价值与实用意义。本文在概述近年来有关于压电能量收集技术相关研究的基础上,提出了可以进一步改善压电俘能器电学输出特性的新型切口梯形梁结构;建立了基于振动梯形梁压电俘能器的集总参数理论模型,设计了6种等面积不同形状的自由端切口方案并通过数学建模分析得出了上述各种新型切口梯形梁的振动特性;使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件分析了不同的切口方案对压电俘能器电学输出特性的影响;为了使压电俘能器能够更加便捷高效地向负载供电,设计了一款基于LTC3588-1电源管理芯片的能量收集接口电路,并通过一个低功耗物联网温湿度传感器系统的应用案例验证了其可行性;研制了新型切口梯形梁压电俘能器的原理样机并通过实验测试了其电学输出特性,实验结果表明,具有最优电学输出特性的原理样机在0.5g加速度,44Hz的正弦激励下,最大开路电压为7.99V,最大输出功率为6.76 W,相较于传统无切口的原理样机分别提升了56.1%和51.9%。本文完成的主要工作有:(1)分析了近年来国内外专家学者在压电能量收集技术方面的研究进展,指出了现有研究中存在的主要问题,进而确定了本文的创新点、论文组织结构与主要研究内容;(2)建立了新型切口梯形梁的数学模型,推导了用来描述其振动特性的惯性矩方程与应变方程等,进而计算得到了用来描述压电俘能器电学输出特性的输出电压与输出功率的表达式;(3)构建了基于COMSOL Multiphysics的有限元仿真模型,从多个角度对各模型进行了模态分析、挠度分析、输出电压频率响应分析、加速度相关性分析与负载相关性分析等,并综合各方面分析结果确定了最优切口方案;(4)为了使压电俘能器能够更加便捷高效地对负载供电,设计了基于LTC3588-1电源管理芯片的能量收集接口电路并通过一个低功耗物联网温湿度传感器系统的应用案例验证了其可行性;(5)确定了原理样机各部分所使用的材料与加工工艺,研制了共计7个原理样机(1个传统的无切口梯形梁和6个新型切口梯形梁)并将它们组装成压电俘能器。根据制定的实验方法,在搭建的实验平台上测试分析了各原理样机的电学输出特性,得到了输出电压随振动频率与振动加速度的变化情况以及输出功率随负载电阻的变化情况。
主动健康监测系统设计
这是一篇关于压电能量收集,健康监测,FPGA,跌倒检测的论文, 主要内容为近年来,随着国家的快速发展,国民经济水平不断提高,人们的需求也从满足基本的生活需要转变到追求更高的生活质量,各种与个人身体健康相关的设备或服务丛出不穷。从市面上出现的各种各样的智能手环、智能手表到市场需求越来越旺盛的各类健康体检服务,无不代表着国民对个人健康观念的加深。此外,我国还面临着严重的老龄化问题,老年人口数量越来越多。由于老年人身体机能的下降,更易出现健康问题,也更加需要利用健康监测设备掌握身体变化,提早发现潜在问题。但目前市面上健康监测设备还存在价格昂贵、监测功能单一和供能方式等局限。本文通过分析目前健康监测设备的现状,结合人们更广泛需求,设计了一款主动健康监测系统。此系统由能量收集系统和基于FPGA的传感器系统与控制系统组成。能量收集系统设计成鞋垫的形式,实现对穿戴者步行等日常活动时能量的采集与存储。传感器系统与控制系统基于FPGA设计,实现人体健康数据如心率、血氧饱和度、血压、体温信息的监测,被监测者的位置信息获取,实时的跌倒检测以及数据的云端物联网存储与预警提醒的功能。本文主要完成的工作有:一、进行能量采集装置设计。根据压电材料产生形变时会出现压电效应的原理以及其材料特性,设计能量收集的硬件结构与电路,将走路时因形变产生的电荷经过整流以及升压储存到锂电池和大电容中,以供系统使用。二、进行基于FPGA的传感器与控制系统设计。设计UART通信接口,实现心率血氧血压传感器数据的采集、卫星定位数据的获取与数据的4G物联网传输。设计采集数据包的解析程序状态机,筛选有效信息,实现卫星定位功能。充分了解IIC通讯协议,开发完成Verilog语言的IIC驱动程序,采集LM75A传感器体温数据和MPU6050传感器的加速度数据。对人体的日常走路和跌倒等动作的相关数据特征进行分析,并基于加速度数据设计完成跌倒检测算法。为实现算法中角度的计算,在FPGA硬件平台上设计实现了基于CORDIC原理的三角函数计算模块,最终实现跌倒检测功能。设计4G物联网模块的通信流程控制状态机,将各类数据上传至One NET平台,并设计了异常数据的预警提醒功能。各分系统功能设计完成后,设计FPGA总系统顶层控制逻辑的状态机,根据各分系统的状态信息产生各模块的工作使能信号,控制其他各传感器系统的工作流程。本文设计使用Xilinx的FPGA开发板和配套开发工具Vivado进行仿真调试与功能验证。从验证结果得出,各传感器工作正常,正确获取到各类健康数据,可以实现预期设计功能,本系统可以为个人健康管理、社区养老服务或智慧医疗提供一套完整的方案。
主动健康监测系统设计
这是一篇关于压电能量收集,健康监测,FPGA,跌倒检测的论文, 主要内容为近年来,随着国家的快速发展,国民经济水平不断提高,人们的需求也从满足基本的生活需要转变到追求更高的生活质量,各种与个人身体健康相关的设备或服务丛出不穷。从市面上出现的各种各样的智能手环、智能手表到市场需求越来越旺盛的各类健康体检服务,无不代表着国民对个人健康观念的加深。此外,我国还面临着严重的老龄化问题,老年人口数量越来越多。由于老年人身体机能的下降,更易出现健康问题,也更加需要利用健康监测设备掌握身体变化,提早发现潜在问题。但目前市面上健康监测设备还存在价格昂贵、监测功能单一和供能方式等局限。本文通过分析目前健康监测设备的现状,结合人们更广泛需求,设计了一款主动健康监测系统。此系统由能量收集系统和基于FPGA的传感器系统与控制系统组成。能量收集系统设计成鞋垫的形式,实现对穿戴者步行等日常活动时能量的采集与存储。传感器系统与控制系统基于FPGA设计,实现人体健康数据如心率、血氧饱和度、血压、体温信息的监测,被监测者的位置信息获取,实时的跌倒检测以及数据的云端物联网存储与预警提醒的功能。本文主要完成的工作有:一、进行能量采集装置设计。根据压电材料产生形变时会出现压电效应的原理以及其材料特性,设计能量收集的硬件结构与电路,将走路时因形变产生的电荷经过整流以及升压储存到锂电池和大电容中,以供系统使用。二、进行基于FPGA的传感器与控制系统设计。设计UART通信接口,实现心率血氧血压传感器数据的采集、卫星定位数据的获取与数据的4G物联网传输。设计采集数据包的解析程序状态机,筛选有效信息,实现卫星定位功能。充分了解IIC通讯协议,开发完成Verilog语言的IIC驱动程序,采集LM75A传感器体温数据和MPU6050传感器的加速度数据。对人体的日常走路和跌倒等动作的相关数据特征进行分析,并基于加速度数据设计完成跌倒检测算法。为实现算法中角度的计算,在FPGA硬件平台上设计实现了基于CORDIC原理的三角函数计算模块,最终实现跌倒检测功能。设计4G物联网模块的通信流程控制状态机,将各类数据上传至One NET平台,并设计了异常数据的预警提醒功能。各分系统功能设计完成后,设计FPGA总系统顶层控制逻辑的状态机,根据各分系统的状态信息产生各模块的工作使能信号,控制其他各传感器系统的工作流程。本文设计使用Xilinx的FPGA开发板和配套开发工具Vivado进行仿真调试与功能验证。从验证结果得出,各传感器工作正常,正确获取到各类健康数据,可以实现预期设计功能,本系统可以为个人健康管理、社区养老服务或智慧医疗提供一套完整的方案。
基于新型梯形梁结构的压电俘能器设计与性能研究
这是一篇关于压电能量收集,梯形梁,切口,振动特性,有限元分析的论文, 主要内容为近年来,无线传感器网络对小规模、便携式和可再生能源提出了更大的需求,研究人员们期望用压电能量收集技术取代日渐暴露出更多问题的传统电化学电池以延长无线传感器的使用寿命。本文以进一步提升压电俘能器的电学输出为目标,开展基于梯形梁压电俘能器的研究,具有一定的科学价值与实用意义。本文在概述近年来有关于压电能量收集技术相关研究的基础上,提出了可以进一步改善压电俘能器电学输出特性的新型切口梯形梁结构;建立了基于振动梯形梁压电俘能器的集总参数理论模型,设计了6种等面积不同形状的自由端切口方案并通过数学建模分析得出了上述各种新型切口梯形梁的振动特性;使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件分析了不同的切口方案对压电俘能器电学输出特性的影响;为了使压电俘能器能够更加便捷高效地向负载供电,设计了一款基于LTC3588-1电源管理芯片的能量收集接口电路,并通过一个低功耗物联网温湿度传感器系统的应用案例验证了其可行性;研制了新型切口梯形梁压电俘能器的原理样机并通过实验测试了其电学输出特性,实验结果表明,具有最优电学输出特性的原理样机在0.5g加速度,44Hz的正弦激励下,最大开路电压为7.99V,最大输出功率为6.76 W,相较于传统无切口的原理样机分别提升了56.1%和51.9%。本文完成的主要工作有:(1)分析了近年来国内外专家学者在压电能量收集技术方面的研究进展,指出了现有研究中存在的主要问题,进而确定了本文的创新点、论文组织结构与主要研究内容;(2)建立了新型切口梯形梁的数学模型,推导了用来描述其振动特性的惯性矩方程与应变方程等,进而计算得到了用来描述压电俘能器电学输出特性的输出电压与输出功率的表达式;(3)构建了基于COMSOL Multiphysics的有限元仿真模型,从多个角度对各模型进行了模态分析、挠度分析、输出电压频率响应分析、加速度相关性分析与负载相关性分析等,并综合各方面分析结果确定了最优切口方案;(4)为了使压电俘能器能够更加便捷高效地对负载供电,设计了基于LTC3588-1电源管理芯片的能量收集接口电路并通过一个低功耗物联网温湿度传感器系统的应用案例验证了其可行性;(5)确定了原理样机各部分所使用的材料与加工工艺,研制了共计7个原理样机(1个传统的无切口梯形梁和6个新型切口梯形梁)并将它们组装成压电俘能器。根据制定的实验方法,在搭建的实验平台上测试分析了各原理样机的电学输出特性,得到了输出电压随振动频率与振动加速度的变化情况以及输出功率随负载电阻的变化情况。
主动健康监测系统设计
这是一篇关于压电能量收集,健康监测,FPGA,跌倒检测的论文, 主要内容为近年来,随着国家的快速发展,国民经济水平不断提高,人们的需求也从满足基本的生活需要转变到追求更高的生活质量,各种与个人身体健康相关的设备或服务丛出不穷。从市面上出现的各种各样的智能手环、智能手表到市场需求越来越旺盛的各类健康体检服务,无不代表着国民对个人健康观念的加深。此外,我国还面临着严重的老龄化问题,老年人口数量越来越多。由于老年人身体机能的下降,更易出现健康问题,也更加需要利用健康监测设备掌握身体变化,提早发现潜在问题。但目前市面上健康监测设备还存在价格昂贵、监测功能单一和供能方式等局限。本文通过分析目前健康监测设备的现状,结合人们更广泛需求,设计了一款主动健康监测系统。此系统由能量收集系统和基于FPGA的传感器系统与控制系统组成。能量收集系统设计成鞋垫的形式,实现对穿戴者步行等日常活动时能量的采集与存储。传感器系统与控制系统基于FPGA设计,实现人体健康数据如心率、血氧饱和度、血压、体温信息的监测,被监测者的位置信息获取,实时的跌倒检测以及数据的云端物联网存储与预警提醒的功能。本文主要完成的工作有:一、进行能量采集装置设计。根据压电材料产生形变时会出现压电效应的原理以及其材料特性,设计能量收集的硬件结构与电路,将走路时因形变产生的电荷经过整流以及升压储存到锂电池和大电容中,以供系统使用。二、进行基于FPGA的传感器与控制系统设计。设计UART通信接口,实现心率血氧血压传感器数据的采集、卫星定位数据的获取与数据的4G物联网传输。设计采集数据包的解析程序状态机,筛选有效信息,实现卫星定位功能。充分了解IIC通讯协议,开发完成Verilog语言的IIC驱动程序,采集LM75A传感器体温数据和MPU6050传感器的加速度数据。对人体的日常走路和跌倒等动作的相关数据特征进行分析,并基于加速度数据设计完成跌倒检测算法。为实现算法中角度的计算,在FPGA硬件平台上设计实现了基于CORDIC原理的三角函数计算模块,最终实现跌倒检测功能。设计4G物联网模块的通信流程控制状态机,将各类数据上传至One NET平台,并设计了异常数据的预警提醒功能。各分系统功能设计完成后,设计FPGA总系统顶层控制逻辑的状态机,根据各分系统的状态信息产生各模块的工作使能信号,控制其他各传感器系统的工作流程。本文设计使用Xilinx的FPGA开发板和配套开发工具Vivado进行仿真调试与功能验证。从验证结果得出,各传感器工作正常,正确获取到各类健康数据,可以实现预期设计功能,本系统可以为个人健康管理、社区养老服务或智慧医疗提供一套完整的方案。
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