基于风力摩擦纳米发电机的自驱动物联网传感节点的设计与研究

这是一篇关于摩擦纳米发电机,物联网,风能收集,自驱动传感节点,无线传输的论文, 主要内容为随着电子设备和数字信息技术的发展,人类已经进入了物联网时代。物联网技术作为一种颠覆性的技术,给人类生活带来了极大的便利。无线传感器网络作为物联网技术核心,其中无数的传感器使得这项技术可以广泛的应用于环境监测、数据分析和智能生活等领域。但物联网中的传感器多大由电池供电或外部市电供电,这大大的限制了物联网传感器节点的使用寿命,同时也增加了每个节点的维护成本。为了探究与解决物联网传感器节点供电的问题,本文使用摩擦纳米发电机(TENG)作为微能源收集器,提出了一种应用于环境监测的自驱动物联网传感节点,使节点能够自动的从环境中获取风能,解决物联网传感器节点能源挑战。主要的研究内容如下:(1)设计了一种用于收集风能的独立式摩擦纳米发电机(W-TENG)。采用兔毛这类柔性摩擦材料,减少磨损,延长了发电机的寿命。同时研究了W-TENG的在不同转速下的输出特性:开路电压、短路电流、短路电荷密度和阻抗匹配。(2)设计了一套适用于W-TENG的能量管理电路。能量管理电路包含了电源管理、能量储存以及电压管路。电源管理用于收集摩擦电的能量,存储了足够的能量后,电压管理会输出一个稳定供电电压,用于供给电子设备正常工作。(3)设计了一套适用于摩擦纳米发电机驱动物联网传感节点工作的通用策略。引入了中继器,并制定了传感节点与中继器的无线传输规则,可以接收来自多个传感节点的数据信息。提出了相应能量分配的策略,降低了系统的能耗。(4)调试了整个系统的软件与硬件,实现了自驱动的物联网传感节点与物联网云平台的数据监测。本研究展示了摩擦纳米发电机可以作为物联网应用的一种供电电源,同时也展示了摩擦纳米发电机在物联网应用中的巨大潜力。

基于TENG和电介质电容器的发电储能一体化器件设计与性能提升

这是一篇关于发电储能一体化,摩擦纳米发电机,电介质电容器,小型化,高压脉冲输出的论文, 主要内容为随着人工智能和大数据的出现,人类社会进入了“智慧时代”,然而社会高速发展下产生的潜在问题也不容忽视,一方面如何为数以亿计的微型电子设备供电成为制约社会发展的关键问题,另一方面传统化石能源急速消耗引起的环境污染问题也日益突出,因此发展绿色可再生能源,既是物联网时代的迫切需要,又是现代信息科学发展的巨大驱动力。近年来,由麦克斯韦位移电流第二分量基于媒介极化特点衍生出的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机(TENG),由于其在收集高熵环境能量上的优势受到广泛关注,基于TENG设计的能量收集与存储一体化系统也层出不穷,然而这些设计大多采用电池或超级电容器作为储能元件,从而导致设计的器件结构庞大复杂,同时其缓慢的充放电过程以及较低的输出功率密度严重限制了TENG在高压脉冲功率方面的应用。有鉴于此,本文围绕发电储能一体化器件的设计展开研究,首先,引入具有超快放电速率和较高功率密度的电介质电容器作为储能元件,结合TENG高电压的优势,设计了一种发电储能一体化器件,并结合电源管理电路实现了脉冲输出;其次,通过集成旋转式TENG和半波整流电路,产生稳定的高压输出并实现高压脉冲放电。本文的主要研究内容如下:(1)设计了基于TENG和电介质电容器的发电储能一体化器件。首先,采用溶液浇筑法制备了厚度均匀且表面致密的聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))膜,性能测试表明其具有优异的储能性能。通过共用电极的巧妙设计,将P(VDF-HFP)膜电介质电容器和一个接触分离式TENG集成,同时电介质电容器和高压整流二极管构成了电压倍增电路(VMC),输出电压得到显著提升,输出端储能电容最大电压可以达到2800 V。随后结合高压放电开关实现了Buck型DC-DC降压电路,将蓄积的高压脉冲转化为平稳直流低电压,从而可以与电子系统匹配,并成功驱动了科学计算器和激光二极管。最后,进一步优化结构制备的1×1 cm2小型器件,在75 Hz的振动频率下,储能电容最大电压可达271 V,脉冲能量满足特定场景下低功耗应用需求,这为纳米发电机的小型化设计探索了一条可行的道路。此外,细致的测试过程分析,结合静电计、静电电压表等仪表验证,发现了静电计所测开路电压在实验中的偏差,这对后续准确评估TENG的输出性能具有一定的参考价值。本工作不仅为制作输出性能优良的发电储能一体化器件提供了一种新的思路,又为推进TENG在脉冲功率器件方面的应用做了初步探索,更为TENG在小型化电子产品方面的实际应用迈出重要的一步。(2)上述工作中由于接触分离式TENG两个电极不在一个平面上,存在需要接线导致器件输出不稳定的问题,因此设计了基于旋转式TENG和半波整流电路的发电储能一体化器件。该旋转式TENG采用柔软的兔毛和聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜作为摩擦层以实现软接触,不仅降低了运动过程中产生的磨损,提高了器件的耐久性,还通过在单个周期的机械运动进行多重能量转化周期从而显著提升了器件的输出性能。研究分析了不同材料、互补电极对数以及转速对输出性能的影响,在使用FEP薄膜、互补电极对数为4以及旋转速率为500 rpm时,可以产生560 V、84μA和390 n C的开路电压、短路电流和转移电荷。随后,将旋转式TENG与半波整流电路集成制备了发电储能一体化器件,在储能电容为10 n F的条件下,最高可以达到3000 V的输出电压,最大单周期捕获能量可以达到1580.46μJ,实现了高压脉冲放电,可以观察到明显的电火花放电。本工作不仅制备了一种高能量转换效率的旋转式TENG,而且通过与半波整流电路集成设计了一种产生稳定高压输出的发电储能一体化器件,为TENG在高压脉冲领域的应用做了有意义的探索。

可穿戴自供电呼吸传感器及其智能监测系统研究

这是一篇关于呼吸传感器,可穿戴智能监测系统,摩擦纳米发电机,多呼吸参量分析,自校准的论文, 主要内容为随着物联网技术的发展,传感器作为万物互联中信息感知和数据采集的关键器件,在航空航天、工业电子、智能家居及远程医疗等应用领域发挥至关重要的作用。尤其在人体可穿戴呼吸生理体征监测系统方面,通过智能传感器实时监测人体多项呼吸生理参数,能够实现多种疾病预防、辅助诊断及康复治疗等功能,近年来备受广泛关注。目前,已报道大量基于温差或湿度感知的呼吸信号监测传感器,大幅度提升了器件的检测精度。然而,现有的呼吸传感器仍然存在便携性差、价格昂贵、制备工艺复杂和抗干扰性能差等缺陷。因此,开发可穿戴的低成本智能自供电呼吸传感器在辅助医疗及居家健康监测领域至关重要。为突破上述瓶颈,本论文的主要研究内容如下:(1)提出基于摩擦纳米发电机的颤振型气流检测传感器,在流体力学和接触起电机制的基础上探索其理论模型和输出性能。利用薄膜的颤振特性和文丘里管原理设计优化结构参数,并通过有限元分析软件仿真验证。结果表明器件面积为7 cm2时电流灵敏度达到0.65μA/(m/s),且流速检测下限优化至0.5 m/s,能够检测环境中的微小气流。在此基础上,开发了基于气流检测传感器的低成本实验室安全管理系统,适用于漏气检测、通风设备监测及辅助人员管理等。(2)在气流检测传感器的理论及结构基础上,提出一种自供电柔性呼吸监测传感器及其可穿戴智能疾病诊断系统。首先,采用微纳加工技术改变摩擦层表面形貌,结合气动力学理论优化传感器的结构参数从而提高输出性能。在0～9 m/s的气流速度范围下,底面积为0.8cm2的柔性呼吸传感器的灵敏度为0.719 V/(m/s),且微弱呼吸气流检测下限优化至0.4 m/s,相较于最佳性能的同类传感器提升了约一倍。此外,首次建立传感器电荷量与肺容量之间的对应数学模型,大量数据结果表明其作为肺容量测试装置的检测准确度高于95.8%。最后,利用电路仿真及版图绘制软件制备便携式传感信号硬件处理模块,完成信号转换及无线发送等功能。同时,设计兼容Windows和Linux等多种操作系统的上位机软件及基于Android的智能呼吸监测手机应用程序。软硬件的协同处理实现了多路呼吸信号分析、智能人机交互、远程云端处理和多种生理参量提取等功能。(3)结合上述超轻量呼吸信号处理系统(7.3 g)与软件中的智能分析和数据挖掘算法数据库,本文首次建立了电信号(I(t)、V(t)与Q等)、多种呼吸参数及对应疾病的数学模型。基于计算分析软件与机器学习算法对环境温湿度与输出信号的回归拟合函数建模,在不同人体呼吸状态和环境参数下(湿度范围为25%～75%,温度范围为23℃～55℃),校准后的结果检测精度从80.0%提高至97.7%。集成可穿戴和低成本的智能呼吸监测传感器(Respiratory monitoring sensor,RMS)系统能够同时提取人体呼吸的多种指标,如呼吸频率、呼吸暂停及低通气指数、肺活量、呼吸间隔时间和呼气峰值流速等自校准参数,且检测结果准确率高于95.21%。同时,智能呼吸监测传感系统能够联合分析多种生理参数,对睡眠呼吸暂停及低通气综合征、鼻炎、慢性肺病和新型冠状病毒肺炎等疾病进行辅助诊断和分类。此外,提出了基于One NET云平台的实时数据云传输处理系统及一键紧急报警(Emergency call,E-Call)等功能模块。综上,此呼吸监测传感平台具有多种参数提取、人工智能辅助诊断、数据云处理、完整的预警系统和远程医疗等显著优势,具有广泛的应用范围。最后,还提出了基于RMS的残障人群辅助交流式人机交互系统。本文为居家监测人类呼吸系统疾病和便携式智能辅助远程医疗提供了一种长期精准的解决方案。

基于摩擦纳米发电机的自驱动海洋腐蚀微生物传感器及杀菌技术开发

这是一篇关于摩擦纳米发电机,微生物检测,低温等离子体,自驱动,杀菌的论文, 主要内容为海洋环境中微生物所带来的腐蚀与污损问题为海洋经济的发展带来严重的安全隐患与经济损失。据统计,微生物腐蚀所致腐蚀损失占总腐蚀损失的20%左右。因此,开发有效、便捷的微生物检测及杀菌装置具有重要的意义。现阶段,微生物检测及灭杀装置的发展仍受到复杂仪器和外部电源的限制,传统的太阳能、风能收集技术会受到天气、时间等环境因素的影响,不能持续为装置供电。而摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)具有结构简单、成本低、易于制作和材料选择多样等特点,作为一种新型能量收集技术,为微生物检测及灭杀装置的开发提供了重要的契机。然而,如何合理应用TENG并将其与微生物检测及灭杀相结合仍存在较大的困难。基于此,本论文研究了TENG与生物传感器/低温等离子体技术的结合,设计优化自驱动微生物检测/灭杀装置。主要研究内容如下:(1)基于TENG的自供电特性以及伴刀豆蛋白A对革兰氏阴性菌的特异性结合能力,设计了具有高灵敏度和特异性的生物传感器,实现了对革兰氏阴性菌的快速检测。同时,采用分子模拟方法研究了伴刀豆蛋白A与脂多糖之间的相互作用,对检测的微观机制进行了分析。在此基础上,设计了一种便携式腐蚀微生物检测装置,通过LED显示实现对腐蚀微生物的快速检测。(2)基于独立式旋转摩擦纳米发电机(Rotary Triboelectric Nanogenerator,R-TENG)的高输出特性,设计了一种等离子激发装置。研究了叉指电极的对数对R-TENG输出电压的影响,并在体系中引入氩气和电压倍增电路,使得装置更易激发等离子体。通过对活性物质的检测,证明了改进后的等离子激发装置能产生更多的活性物质,展现了其在杀菌方面的应用潜力。(3)开发了自驱动等离子杀菌技术,研究了R-TENG驱动的等离子体激发装置对不同种类细菌的灭杀效果,研究结果表明经过合理设计的自驱动灭菌装置可在1小时内对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌进行近乎完全的灭杀。此外,还对自驱动杀菌的机制进行了分析,表明在电场、紫外线、活性物质等的共同作用下能达到良好的杀菌效果。本文不仅为微生物腐蚀及污损的抑制起到重要的指导作用,并且对TENG在海洋领域应用的拓展具有参考价值。

用于海洋能收集的摩擦纳米发电机的结构设计及性能研究

这是一篇关于摩擦纳米发电机,海洋波浪能,结构设计,性能研究的论文, 主要内容为人类社会的发展与能源利用密不可分,然而社会的快速发展导致了传统化石能源的严重短缺。开发和利用如太阳能、风能、海洋能、地热能、核能等新能源成为我们的必然选择。另一方面,随着物联网(Io T)、便携式电子设备的快速发展,采用传统电池供电已不再实用,开发新的能源收集技术已经成为当下最有效的途径之一。在各类可再生能源中,海洋能具有分布广泛、资源丰富、可持续发展、无污染等优势。传统海洋能收集主要还是依靠电磁发电机(electromagnetic generators(EMGs)),然而它在收集不规则和低频海浪能量时存在诸多局限,这使海洋能难以得到有效利用。而新兴的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerators(TENGs))在低频海洋能收集方面明显优于传统电磁发电机。本论文以TENG技术为出发点,以高效收集海洋能为目的,研究设计了抗倾覆的椭圆柱状摩擦纳米发电机和基于海尔贝克阵列的复合纳米发电机用于全天候海洋能收集,为大规模收集海洋能提供了新颖有效的方法。主要研究工作如下:(1)设计并制作了一种完全对称结构的抗倾覆椭圆柱状摩擦纳米发电机(fully symmetrical TENG with an elliptic cylindrical swing structure(EC-TENG)),以实现全天候收集海洋能。EC-TENG由三部分组成:两个同轴椭圆形圆柱壳,内部滚动式独立层TENG和外部V型接触分离模式TENG。两个椭圆形圆柱壳通过不锈钢轴连接,以便在EC-TENG倾斜时内部椭圆形圆柱壳发生摆动,从而使内部TENG工作并同时带动外部TENG工作。得益于独特的椭圆柱状外壳,EC-TENG具有一定的抗倾覆能力。且由于内部的完全对称结构设计,即使在汹涌海况下设备被倾覆,EC-TENG依然可以正常工作并且输出不会下降。在水波激励下,EC-TENG的输出能够点亮400盏LED灯并驱动小型电子设备。不仅如此,由EC-TENG驱动的自动监控系统还可以实时监控水位并在必要时提供警报。这项工作展示了EC-TENG在大规模海洋蓝色能源收集和自驱动海洋监测方面的巨大应用前景。(2)设计并制作了一种基于海尔贝克阵列的电磁-摩擦复合纳米发电机(Halbach array-based electromagnetic-triboelectric hybrid nanogenerator(H-HNG))用于收集海洋能。EC-TENG虽然实现了全天候海洋能的收集,但是内部TENG的输出却比较小,而且整体器件空间并没有得到完全有效的利用。为此我们设计了一种完全对称结构的复合纳米发电机(H-HNG)。H-HNG由两组W型接触分离式摩擦纳米发电机和两组基于海尔贝克阵列的电磁发电机组合而成。利用海尔贝克阵列可以有效提高电磁发电机部分的输出,并且通过设计TENG和EMG的组合方式让空间得到了有效完全利用。我们测试了不同频率下TENG和EMG的输出,当工作频率为1 Hz时,一组W型TENG的转移电荷量达到190 n C,短路电流可达9μA,开路电压约300 V;EMG单元短路电流达5 m A,开路电压达1 V。这项工作为大规模海洋能收集提供了一种创新和可靠的方法。

可穿戴自供电呼吸传感器及其智能监测系统研究

这是一篇关于呼吸传感器,可穿戴智能监测系统,摩擦纳米发电机,多呼吸参量分析,自校准的论文, 主要内容为随着物联网技术的发展,传感器作为万物互联中信息感知和数据采集的关键器件,在航空航天、工业电子、智能家居及远程医疗等应用领域发挥至关重要的作用。尤其在人体可穿戴呼吸生理体征监测系统方面,通过智能传感器实时监测人体多项呼吸生理参数,能够实现多种疾病预防、辅助诊断及康复治疗等功能,近年来备受广泛关注。目前,已报道大量基于温差或湿度感知的呼吸信号监测传感器,大幅度提升了器件的检测精度。然而,现有的呼吸传感器仍然存在便携性差、价格昂贵、制备工艺复杂和抗干扰性能差等缺陷。因此,开发可穿戴的低成本智能自供电呼吸传感器在辅助医疗及居家健康监测领域至关重要。为突破上述瓶颈,本论文的主要研究内容如下:(1)提出基于摩擦纳米发电机的颤振型气流检测传感器,在流体力学和接触起电机制的基础上探索其理论模型和输出性能。利用薄膜的颤振特性和文丘里管原理设计优化结构参数,并通过有限元分析软件仿真验证。结果表明器件面积为7 cm2时电流灵敏度达到0.65μA/(m/s),且流速检测下限优化至0.5 m/s,能够检测环境中的微小气流。在此基础上,开发了基于气流检测传感器的低成本实验室安全管理系统,适用于漏气检测、通风设备监测及辅助人员管理等。(2)在气流检测传感器的理论及结构基础上,提出一种自供电柔性呼吸监测传感器及其可穿戴智能疾病诊断系统。首先,采用微纳加工技术改变摩擦层表面形貌,结合气动力学理论优化传感器的结构参数从而提高输出性能。在0～9 m/s的气流速度范围下,底面积为0.8cm2的柔性呼吸传感器的灵敏度为0.719 V/(m/s),且微弱呼吸气流检测下限优化至0.4 m/s,相较于最佳性能的同类传感器提升了约一倍。此外,首次建立传感器电荷量与肺容量之间的对应数学模型,大量数据结果表明其作为肺容量测试装置的检测准确度高于95.8%。最后,利用电路仿真及版图绘制软件制备便携式传感信号硬件处理模块,完成信号转换及无线发送等功能。同时,设计兼容Windows和Linux等多种操作系统的上位机软件及基于Android的智能呼吸监测手机应用程序。软硬件的协同处理实现了多路呼吸信号分析、智能人机交互、远程云端处理和多种生理参量提取等功能。(3)结合上述超轻量呼吸信号处理系统(7.3 g)与软件中的智能分析和数据挖掘算法数据库,本文首次建立了电信号(I(t)、V(t)与Q等)、多种呼吸参数及对应疾病的数学模型。基于计算分析软件与机器学习算法对环境温湿度与输出信号的回归拟合函数建模,在不同人体呼吸状态和环境参数下(湿度范围为25%～75%,温度范围为23℃～55℃),校准后的结果检测精度从80.0%提高至97.7%。集成可穿戴和低成本的智能呼吸监测传感器(Respiratory monitoring sensor,RMS)系统能够同时提取人体呼吸的多种指标,如呼吸频率、呼吸暂停及低通气指数、肺活量、呼吸间隔时间和呼气峰值流速等自校准参数,且检测结果准确率高于95.21%。同时,智能呼吸监测传感系统能够联合分析多种生理参数,对睡眠呼吸暂停及低通气综合征、鼻炎、慢性肺病和新型冠状病毒肺炎等疾病进行辅助诊断和分类。此外,提出了基于One NET云平台的实时数据云传输处理系统及一键紧急报警(Emergency call,E-Call)等功能模块。综上,此呼吸监测传感平台具有多种参数提取、人工智能辅助诊断、数据云处理、完整的预警系统和远程医疗等显著优势,具有广泛的应用范围。最后,还提出了基于RMS的残障人群辅助交流式人机交互系统。本文为居家监测人类呼吸系统疾病和便携式智能辅助远程医疗提供了一种长期精准的解决方案。

基于风力摩擦纳米发电机的自驱动物联网传感节点的设计与研究

这是一篇关于摩擦纳米发电机,物联网,风能收集,自驱动传感节点,无线传输的论文, 主要内容为随着电子设备和数字信息技术的发展,人类已经进入了物联网时代。物联网技术作为一种颠覆性的技术,给人类生活带来了极大的便利。无线传感器网络作为物联网技术核心,其中无数的传感器使得这项技术可以广泛的应用于环境监测、数据分析和智能生活等领域。但物联网中的传感器多大由电池供电或外部市电供电,这大大的限制了物联网传感器节点的使用寿命,同时也增加了每个节点的维护成本。为了探究与解决物联网传感器节点供电的问题,本文使用摩擦纳米发电机(TENG)作为微能源收集器,提出了一种应用于环境监测的自驱动物联网传感节点,使节点能够自动的从环境中获取风能,解决物联网传感器节点能源挑战。主要的研究内容如下:(1)设计了一种用于收集风能的独立式摩擦纳米发电机(W-TENG)。采用兔毛这类柔性摩擦材料,减少磨损,延长了发电机的寿命。同时研究了W-TENG的在不同转速下的输出特性:开路电压、短路电流、短路电荷密度和阻抗匹配。(2)设计了一套适用于W-TENG的能量管理电路。能量管理电路包含了电源管理、能量储存以及电压管路。电源管理用于收集摩擦电的能量,存储了足够的能量后,电压管理会输出一个稳定供电电压,用于供给电子设备正常工作。(3)设计了一套适用于摩擦纳米发电机驱动物联网传感节点工作的通用策略。引入了中继器,并制定了传感节点与中继器的无线传输规则,可以接收来自多个传感节点的数据信息。提出了相应能量分配的策略,降低了系统的能耗。(4)调试了整个系统的软件与硬件,实现了自驱动的物联网传感节点与物联网云平台的数据监测。本研究展示了摩擦纳米发电机可以作为物联网应用的一种供电电源,同时也展示了摩擦纳米发电机在物联网应用中的巨大潜力。

基于摩擦纳米发电机的无线自供电湿度传感系统

这是一篇关于摩擦纳米发电机,自供电,无线湿度传感,LC谐振电路,频率信息的论文, 主要内容为摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)能量采集技术日渐成熟,为无线传感器网络供能的TENG技术展现出巨大应用潜力。因此本文提出一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电湿度传感系统,系统中TENG为传感系统提供能量,采用电容式湿度传感器与电感构成LC谐振电路,并以电磁波形式无线传输湿度信号,可通过线圈耦合方式接收传感器信号,实现湿度传感信号的检测与无线传输,无需任何芯片和有源器件。首先,以麦克斯韦方程为基础,分析TENG的发电机理,推导TENG的发电理论模型。采用COMSOL软件对水平和垂直两种摩擦发电方式进行有限元仿真分析,设计垂直接触式摩擦纳米发电机,确定无线自供电湿度系统的能量供应方案。其次,对TENG结构和储能管理电路进行优化,结合垂直接触式TENG高瞬时能量输出特点,优化TENG结构并设计储能电路。对比不同材料对电荷的约束能力,确定TENG的制备材料。对材料的表面微观结构进行优化,增大摩擦时的有效接触面积。设计TENG回弹结构,提高接触分离速度,提升TENG的输出电压。设计串并电容充放电储能电路(Fractal-design Switched-Capacitor-Converter,FSCC),提高TENG的输出电流。搭建测试平台,对比优化前后发电能力。然后,基于LC谐振电路设计无线传感系统。采用TENG限位触发结构确保在湿度传感过程中TENG等效电容值保持恒定,消除其对湿度传感精度的影响。推导等效电路模型,并通过实验验证模型的有效性。分析影响无线信号传输距离的因素,对电路的设计参数进行优化。最后,搭建湿度传感系统实验平台,通过线圈耦合接收无线湿度传感信号电磁波,通过快速傅里叶变换提取信号的频率信息,通过标准湿度信号对自供电无线湿度传感信号进行标定,对湿度的频率信息进行线性拟合,进行周期性和阶跃性湿度变化实验,确定传感器稳定性和可重复性,在20%RH-80%RH的范围内,灵敏度达1.26k Hz/%RH。