【摘 要】
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目前,基于能量转换技术的可穿戴传感器在监测人体生理健康及运动训练辅助等领域应用广泛。本文设计了一种基于摩擦电-压电能量收集技术的可穿戴传感器,用以监测人体运动时呼吸状态,该传感器主要由压电单元、摩擦电单元及信号处理电路三部分组成,其中压电单元用以监测人体呼吸信号,摩擦电单元用以监测人体运动信号。基于对监测人体运动及呼吸信号的可穿戴式传感器研究现状的分析,提出了一种集成压电单元及摩擦电单元的传感器设
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目前,基于能量转换技术的可穿戴传感器在监测人体生理健康及运动训练辅助等领域应用广泛。本文设计了一种基于摩擦电-压电能量收集技术的可穿戴传感器,用以监测人体运动时呼吸状态,该传感器主要由压电单元、摩擦电单元及信号处理电路三部分组成,其中压电单元用以监测人体呼吸信号,摩擦电单元用以监测人体运动信号。基于对监测人体运动及呼吸信号的可穿戴式传感器研究现状的分析,提出了一种集成压电单元及摩擦电单元的传感器设计思路。为此,首先分析了压电材料与摩擦电材料的功能特性;选用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜,构建了悬梁形式的压电单元分布式参数机电耦合模型,推导了呼吸气流作用下压电单元变形方程,分析了不同形状压电单元应变分布情况。随后,基于麦克斯韦方程组建立了垂直接触—分离工作模式下的摩擦电单元机电耦合模型,选取聚四氟乙烯(PTFE)有机薄膜与铜箔作为摩擦层材料。基于COMSOL对压电单元进行了模态与输出性能分析,研究了压电单元在各阶振型下的变形情况,获得了其输出电压、输出功率随外界负载与加速度变化的规律。在此基础上,探究了PVDF薄膜形状、尺寸参数(厚度、长度、底边宽度)、温度、磁场强度等因素对压电单元开路电压、等效内阻、输出功率、电压灵敏度的影响规律。确定了压电单元的尺寸参数及形状,制备了测试元件,实现了气流载荷作用下压电单元对强弱气流的分辨。仿真分析了摩擦电单元摩擦层间分离距离及表面面积对其输出电压的影响,实验研究了PTFE薄膜厚度、铜箔表面粗糙度对摩擦电单元输出性能的影响。基于以上研究并考虑实际穿戴效果,确定了摩擦电单元各组成部分的尺寸参数,制备了实验样机并完成了运动测试实验,验证了其对不同运动的识别。设计了由低通滤波模块、电压放大模块与电压跟随模块组成的信号处理电路。结合压电与摩擦电单元进行人体穿戴实验。实验结果表明,该传感器的摩擦电与压电单元可分别实现对不同人体运动信号及不同运动状态下呼吸信号的有效识别。
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