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基于微型温差发电机的热触觉传感器研究

基于微型温差发电机的热触觉传感器研究

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作者：陈南汐大连海事大学

学位级别：硕士

机器人在人类现阶段生产中占据的地位日渐升高,机器人智能化更是依托“物联网”而成为热门话题。传感器作为感知设备运作信息,环境信息的唯一载体,其重要性相当于人体的眼、耳、口、鼻等器官。因此,针对传感器的研究对机器人智能化具有... 详细信息

机器人在人类现阶段生产中占据的地位日渐升高,机器人智能化更是依托“物联网”而成为热门话题。传感器作为感知设备运作信息,环境信息的唯一载体,其重要性相当于人体的眼、耳、口、鼻等器官。因此,针对传感器的研究对机器人智能化具有重要意义。基于课题组前期研究,本研究在微型温差发电机(Micro Thermoelectric Generator,MTEG)的基础上提出热触觉材料识别传感理论和热触觉水下流速及流向识别传感理论。此外,该研究也能通过回收利用电池废热来延长机器人的工作时长。材料识别的价值对于机器人智能化是显而易见的,例如现代工厂里对不同类别原材料和成品的分拣,火力发电厂里对劣质煤和优质煤的分流,以及物流行业里对运输物品种类的分仓等等。而机器人对水流流速和流向的识别能力不仅是机器人在水下活动时不可或缺的能力,还是影响机器人水下工作效率的重要影响因素之一。本研究主要研究内容与结论如下:本研究基于MTEG建立了热触觉材料识别,热触觉水下流速识别和热触觉水下流向识别理论模型。理论模型通过对热量传导的定性和定量分析,建立MTEG输出电压与材料导热系数,水流流速和流向的关系方程,并对导热系数,水流流速和流向对MTEG输出电压的影响进行分析,最终发现能通过对比MTEG输出电压来识别上述参数。考虑到实际材料的表面形态,在热触觉材料识别理论模型中还额外分析了材料表面形态对MTEG输出电压的影响。之后,为验证理论模型的可行性,本研究在理论模型基础上制作了热触觉材料识别样机,水下热触觉流速识别样机以及水下热触觉流向识别样机,并对样机的识别性能进行了测试。在对热触觉材料识别样机的测试中,本研究选择金属,木料以及石料等常见材料作为待识别材料,实验结果表明样机能够实现对这三类材料的识别。同时,本研究对材料表面形态的影响也进行了研究,并提出采用柔性接触表面来减少材料表面形态对材料识别造成的负面影响,实验结果也证明了柔性接触表面的作用。在对水下热触觉流速识别样机的测试中,本研究设计了水池环境以及管道环境两个不同的实验环境,并将流速范围设定在0～8 m/s内,最小流速变化幅度大小为0.5 m/s,最大流速变化幅度大小为4 m/s,实验结果表明样机能够实现对上述水流流速的识别。在对水下热触觉流向识别样机的测试中,本研究设定的流向范围为0～90°的水流,并且对固定角度下的水流以及变角度下的水流都进行了相应的识别实验。实验结果表明样机能够识别0～90°的水流且识别精度为15°。

关键词：微型温差发电机热触觉材料识别水下流速及流向识别理论模型

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基于MTEG和TENG的水下典型材料特征及抓取状态多参数感知方法研究

基于MTEG和TENG的水下典型材料特征及抓取状态多参数感知方法研究

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作者：单百川大连海事大学

学位级别：硕士

随着我国对海洋资源的不断探索和开发,水下机器人作为一种先进、多功能的水下设备,在深海科学研究等领域发挥了不可替代的作用。而作为水下机器人传感系统的重要组成部分,触觉传感器可以帮助水下机器人获得目标物体的形状、质地、硬度... 详细信息

随着我国对海洋资源的不断探索和开发,水下机器人作为一种先进、多功能的水下设备,在深海科学研究等领域发挥了不可替代的作用。而作为水下机器人传感系统的重要组成部分,触觉传感器可以帮助水下机器人获得目标物体的形状、质地、硬度、压力等信息。为了更好地解决水下传感问题,本文提出了一种基于微型热电发电机(MTEG)和摩擦纳米发电机(TENG)的多参数触觉传感的技术方案。该方案可以提供与目标物体接触过程中的相互作用力和滑动状态,以及目标物体材料的热导率,以协助水下机器人自主执行任务。首先,本文建立材料检测传感器和压力及滑动状态感知传感器(PS-TENG)的理论模型,推导了材料检测传感器中MTEG单元的塞贝克电压和目标物体的导热率之间的关系、PS-TENG的电荷转移机理、开路电压输出和所受压力之间的关系、振动信号和滑动状态的关系。并使用COMSOL软件对材料检测传感器的热力学模型、PS-TENG的结构力学模型进行了模拟仿真,验证了理论模型,并为样机优化提供了指导方向。其次,设计并制作了多参数触觉传感器样机,并搭建相应的实验测试系统测试其性能。实验结果表明:在材料感知方面,可以实现在2s内准确识别恒温动物、非金属材料和金属材料三种典型材料的效果,在增设柔性导热垫后还可以提高材料检测传感器的样机对目标物体的复杂表面形态的适应性,除此之外,样机还可以有效分辨合金钢上涂层的厚度;在压力响应方面,在0N-9N压力范围内的静态和动态测试均表现出良好的响应性和适应性,并且有着平均4.5V/N的高灵敏度以及0.07s的快速响应时间;通过柔性导热垫和目标物体之间的摩擦信号,通过频域分析可以有效判断目标物体的滑动状态。综上所述,多参数触觉传感器样机能够识别目标物体的材料类型、压力和滑动状态这三种感知参数的信息。总的来说,本文提出了一种基于MTEG和TENG的多参数触觉传感方法的新技术方案,其结果为水下机器人的触觉传感系统提供了新的思路,对海洋探索和开发有着重要意义。

关键词：水下触觉传感器摩擦纳米发电机微型温差发电机压力及滑动状态感知多参数传感材料感知

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面向自供能海洋生物传感器的MTEG-TENG复合能量采集技术研究

面向自供能海洋生物传感器的MTEG-TENG复合能量采集技术研究

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作者：曲广皓大连海事大学

学位级别：硕士

海洋生物多样性是全球生物多样性中的重要组成部分,中国在生物多样性丰富的国家中排名第8。然而,中国也是生物多样性面临严重威胁的国家之一。中国海域辽阔海岸带漫长,海域面积达300万平方公里,海洋生物种类繁多,有记录的海洋生物达2256... 详细信息

海洋生物多样性是全球生物多样性中的重要组成部分,中国在生物多样性丰富的国家中排名第8。然而,中国也是生物多样性面临严重威胁的国家之一。中国海域辽阔海岸带漫长,海域面积达300万平方公里,海洋生物种类繁多,有记录的海洋生物达22561种。随着人类海洋开发利用强度的日益严重,中国海洋生物多样性受到的威胁正在增大,濒危物种数目显著增多。目前,中国海洋生物濒危物种已达556种,其中排名前十种的中国常见濒危海洋生物中有7种属于海洋性哺乳类动物。因此,必须有针对性地采取措施保护我们的海洋生物及整治海洋环境。为进一步加强对濒危海洋性哺乳类动物的保护,需要收集和监测它们的生物数据和生活环境信息。然而,现有的海洋生物传感器续航时间严重不足,直接导致生物数据收集有限。本文提出一种面向自供能海洋生物传感器的微型温差发电机(Micro Thermoelectric Generator,MTEG)-摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)复合能量采集技术以解决海洋生物传感器能源供给问题。本文主要研究内容与结论如下:首先,本文基于塞贝克效应和摩擦起电效应,设计了一种采集海洋性哺乳类动物体温与环境温度之间的温差能和低频的摆尾运动的机械能的复合能量采集器件。MTEGTENG复合能量采集器件整体呈现出柔性“三明治”结构,器件左右两侧为MTEG,中间部分为摆动-摩擦纳米发电机(Oscillating-Triboelectric Nanogenerator,O-TENG)。采用硅橡胶作为表面封装材料,使其能够更加贴合海洋性哺乳类动物的皮肤,为MTEG和O-TENG的工作提供了有利条件。其次,对MTEG和O-TENG进行了理论分析,包括:MTEG和O-TENG理论模型的建立、电荷转移的机理以及通过COMSOL Multiphysics软件对O-TENG作摆尾受迫运动前后电极与摩擦层之间的电势变化进行了对比。再次,本文进行了MTEG-TENG复合能量采集器件发电性能实验测试系统的搭建,其中包含MTEG流速模拟实验台和O-TENG摆动测试实验台。通过实验测试系统研究了不同摩擦层材料、海洋性哺乳类动物游动速度、摆尾频率和摆尾幅度对MTEG和OTENG输出性能的影响。实验结果表明游动速度、摆尾频率和摆尾幅度与MTEG和OTENG输出性能在一定范围内呈现出正相关性。O-TENG和MTEG可以分别产生5.85 V和1.821V的最大开路电压。最后,由于MTEG和O-TENG的输出功率具有一定的差异性,设计了一套MTEGTENG复合能量采集器件供能电路系统方案。它可以将转化出的电能为锂聚合物电池充电,由电池为海洋生物传感器直接供电。MTEG-TENG复合能量采集器件通过电源管理电路为64个LED灯提供电力。进一步证明了MTEG-TENG复合能量采集技术对比MTEG单一能量采集的方式电池充电时间缩短了4.93%。并且,在MTEG-TENG复合能量采集系统生物实验中,鲤鱼作为实验对象被用来代替海洋性哺乳类动物作为实验对象,并证明了该器件在海洋生物上安装具备可行性。

关键词：摩擦纳米发电机微型温差发电机复合能量采集自供能系统海洋生物保护

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