27837

طراحي حسگر تحليل حركت و نظارت بر راه رفتن انسان مبتني بر نانوژنراتور هاي تريبوالكتريك

كارشناسي ارشد

مهندسي برق الكترونيك گرايش ميكروافزاره هاي نانوالكترونيك

1398

1401/08/30

دكتر جواد ياوند حسني

دانشكده مهندسي برق

امروزه با شكوفا شدن الكترونيك قابل حمل و پوشيدني، تقاضا براي منابع توان انعطاف پذير افزايش يافته است. از اين رو استفاده از برداشت كننده هاي انرژي گزينه مؤثري به نظر مي رسد. استفاده از نانوژنراتور هاي تريبوالكتريك به دليل ساز و كار ساده، هزينه كم ، پايداري بالا و خروجي مطلوب در سيستم هاي نظارت بر عملكرد بدن انسان رو به افزايش است. از آن جايي كه باتري هاي معمولي از نظر طول عمر و مجتمع سازي داراي محدوديت هستند، تامين انرژي ابزار هاي الكترونيكي همراه نيز به يك چالش مهم تبديل شده است. لذا استفاده دوگانه از اين ابزارها به عنوان حسگر و منبع توان به عنوان يك راه حل مطرح شده است. انتخاب مواد مناسب نقش كليدي در طراحي اين نانوژنراتور ها دارد. اما همواره معيار انتخاب ،انعطاف پذيري، مقاومت مكانيكي و چگالي بار سطحي مواد بوده است. در انواعي از اين نانوژنراتور ها كه ماهيت خازن متغير با زمان دارند ضريب دي الكتريك ماده عايق مي تواند در بهبود عملكرد اين مواد تاثير گذار باشد. در اين پايان نامه ابتدا با استفاده از شبيه سازي به تاثير افزايش ضريب دي الكتريك در عملكرد اين نانوژنراتور ها مي‌پردازيم و پي مي‌بريم كه افزايش ضريب دي الكتريك در ساختار هاي ضخيم بسيار موثر مي باشد. اما در نانوژنراتور هاي با ضخامت بسيار كم، افزايش ضريب دي الكتريك بر روي مؤلفه هاي خروجي تأثيري ندارد. همچنين شرايط تطبيق فركانسي و تنظيم خازن معادل براي دستيابي به توان بهينه بيان شده كه براي نيل به اين هدف مي‌بايست از ساختارهاي بسيار نازك ويا ضخيم اجتناب نمود. اما در صورت لزوم مي‌توان با تنظيم ضريب دي الكتريك ماده عايق به اين نقطه نزديك شد. با كنار هم قرار دادن موارد مطرح شده دريافتيم كه افزايش ضريب دي الكتريك علي رغم اينكه كه در ساختار هاي ضخيم مفيد است اما در ساختار هاي نازك به دليل دور شدن از نقطه توان بهينه تاثير مخربي دارد. در ادامه با توجه به محدوديت هايي كه براي انتخاب ماده با ضرايب دي الكتريك مد نظر داريم دو روش براي رسيدن آن ارائه شده است. نهايتا يك روش براي شبيه سازي سيگنال حاصل از حسگر هاي مبتني بر نانوژنراتور هاي تريبو الكتريك و بهينه سازي سيستم تشخيص نوع راه رفتن انسان ارائه داديم كه در آن با اصلاح معيار ها مي توان با استفاده از حسگر هاي كمتري نوع راه رفتن انسان را تشخيص داد.

1401/11/17

esign and optimization of motion analysis and human gait monitoring sensor based on triboelectric nanogenerators

11/21/2023 12:00:00 AM

Today, the demand for flexible power sources has increased with the flourishing of portable and wearable electronics. Therefore, the use of energy harvesters seems to be a practical option. Using Triboelectric nanogenerators is increasing due to their simple mechanism, low cost, high stability, and optimal output in real-time monitoring systems. Since conventional batteries have limitations in terms of lifespan and integration, the power supply of portable electronic devices has also become a significant challenge. Therefore, the dual use of these devices as a sensor and a power source has been proposed as a solution. Choosing suitable materials plays a vital role in the design of these nanogenerators. However, flexibility, mechanical resistance, and surface charge density of materials have always been the criteria for selection. In some types of these nanogenerators that have the nature of time-varying capacitors, the dielectric constant of the insulating material can be effective in improving the performance of TENG. In this thesis, we discuss the effect of increasing the dielectric coefficient on the performance of these nanogenerators, and we find that increasing the dielectric coefficient is very effective in thick structures. However, increasing the dielectric coefficient in very thin nanogenerators does not affect the output components. Also, the conditions of frequency matching and equivalent capacitor adjustment are stated to achieve optimal power, and to achieve this goal, very thin or thick structures should be avoided. Consequently, we found that increasing the dielectric coefficient, despite being useful in thick structures, has a destructive effect on thin structures due to moving away from the optimal power. In the following, two methods are presented to achieve an appropriate dielectric constant. Finally, we presented a method for simulating the signal obtained from sensors based on triboelectric nanogenerators and optimizing the human gait monitoring system. By modifying the criteria, the human walking type can be detected using fewer sensors.

نانوژنراتور هاي تريبوالكتريك , برداشت انرژي , ضريب دي الكتريك , خازن , حسگر

Triboelectric nanogenerators , Energy harvesting , Dielectric constant , capacitor , sensor

sahand fardadidokht

Dr. javad yavand hasani