PVDF薄膜的人体呼出气体能量采集研究

工程科学与技术，国际期刊20（2017）332完整文章人体呼出气体能量采集，特别是PVDF薄膜Manisha Rajesh Mhetrea，Mr.，Hemant Keshav Abhyankarba仪器工程系，Vishwakarma技术学院，666，Upper Indiranagar，Bibwewadi，Pune 411037，Maharashtra，印度印度浦那Kondhwa AnnexeKJ阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年1月31日收到2016年6月16日修订2016年6月25日接受2016年7月9日在线发布保留字：能 量采 集 人 体呼 气PVDF薄膜肺活量计A B S T R A C T肺活量计是用于测量人的肺活量的医疗设备它可以诊断多种疾病。研究人员在使用肺活量计进行测量的同时，从人类呼气中收集能量。利用压电材料PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜作为传感器，研制了一台样机.本文介绍了使用PVDF膜进行呼出气体能量收集的方法和实验结果令人鼓舞。还对具有不同身高、体重、年龄和性别的各种受试者进行测量。数据分析显示，不同的物理参数和性别所获得的能量存在差异实验表明，由于呼出的空气产生的电压是有希望的收获。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍人体作为一种生物资源，蕴藏着巨大的能量。有可能以两种模式提取这种能量，主动和被动。在主动模式下，可以从需要额外努力的不同人体运动中提取能量，如步行，手臂手指运动，慢跑等。[1，2]。例如，（a）用腿在自行车上划水可以在连接到自行车车轮的测力计中产生能量，以及（b）从涂有压电材料的跳舞地板被动模式涉及从人体器官和肌肉的自然运动中提取能量，而无需任何额外的努力，例如呼吸，血压，体温，心脏和胸壁运动等。与被动模式相比，主动模式中提取的功率更多。Starner[5]开发了一种安装了PZT的鞋，并声称步行可产生8.4 W的可用功率。作者对人体不同机械能的利用率进行了调查。据报道，在有源模式下，电功率提取比无源模式更多[6]。上述研究论文没有考虑从人类强有力的呼出空气中收集能量[7]。*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： manisha. vit.edu （ M.R.Mhetre ） ， rediffmail.com （ 香 港 ）Abhyankar）。由Karabuk大学负责进行同行审查2. 文献调查能量收集可以用不同的传感器进行，即：压电、热电、风力发电机等。压电传感器广泛用于将机械振动转换成电信号。它们以天然的形式存在，如石英、电气石等。以及它们可以合成制备，例如氧化锌（ZnO）、氮化铝、聚偏氟乙烯（PVDF）等。到目前为止，许多研究人员已经报道了使用压电材料以主动和被动模式进行Sodano等人[8，9]、Priya[10]和Mhetre等人[11]的综述文章全面介绍了从不同人体运动中收集压电能量作者开发了各种能量收集原型及其分析作者Paulo等人[12]介绍了使用不同医疗器械的压电、热电、电磁文献调查报告，可以使用风力发电机和压电装置收集来自呼气的风能。迄今为止开发的风力发电机适用于2 m/s至10 m/s的低速自然风例如，Mohamed等人[13]研究了用于小型发电的Darrieus涡轮机、垂直轴风力涡轮机（VAWT）。对提高风力机效率进行了http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.06.0122215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）332333由作者出。新涡轮形状的CFD分析比常规翼型提高了10%的效率。Dikshit等人[14]报道了一种振动器的设计，该振动器具有连接到由风车驱动的轴的压电变色器。Priya等人[15]已经构建了一种压电风车，其具有围绕风车轴的圆周布置的十二个压电双晶片换能器。风扇连接在风力机轴的末端以收获风能（压电双晶片是Baldwin Sawyer的发明[16]。它是具有两层的悬臂梁，一层是压电层，另一层是金属层）。Myers等人[17]报道了一种用于风能收集的具有成本效益的风力机，其具有18个压电双晶片和由塑料部件制成的相关结构。但他们无法克服摩擦损失，由于齿轮组件，在他们的原型。在美国专利[18]中，发明人ShashankPriya设计了六种不同的风车结构，这些风车结构与压电双晶片连接，用于低空气速度收获。Li等人[19]报告了在放置在风道中的风力机模型上进行的实验。PVDF薄膜被放置在风力涡轮机上提取风能。Goreke等人[20]致力于基于Savonius架构的风力涡轮机叶片的开发和表征。作者进行了工作，以最大限度地提高叶片在正常呼吸速率下的转速。介绍了用于MEMS肺量计能量采集的涡轮机的研制及其仿真。在研究论文[21]中，作者Sun等人，通过自顶向下的反应离子刻蚀工艺减小PVDF膜的厚度，以增加从低的呼吸气流速度产生电压的能力。厚度、气流速度和电压输出通过模拟呼吸进行估计和检查。但实际生活中没有进行人体测试来测试膜的电压产生能力。Wang等人[22]提出了一种峰值流量计的开发，其中进行了空气流量测量和呼气发电。采用轴向磁通永磁发电机的风力发电机是为了获得电能而设计的。但是人类的发电没有被研究。储能机制是能量收集过程的重要组成部分。由于纳米尺寸的锂离子磷酸盐材料及其特征，关于锂离子电池的性能改善的讨论由作者Satyavan等人在[23]在文献[24]中，提出了关于超导磁储能系统的讨论，涉及与输电线路的功率传输能力相关的功率增强。从呼出的空气中提取能量的另一种方法是从通过热电偶测量呼出气体的温度梯度。许多研究人员使用热电偶从人体温度梯度中提取热能[25- 27，28]。 呼出的空气有一个通道，从嘴通过许多肺部部分达到核心体温。这会在呼出和吸入的空气之间产生2到3度的温差。这种温差作为热源可以用于能量收集。但是低的呼出空气温度梯度（2-3 °C）对于使用热电堆收集热能施加了许多问题。因此，本文不考虑这种方法文献综述报告称，到目前为止，呼吸过程中的能量已通过以下方式获得：呼吸过程中的胸壁或腹壁运动、自然呼吸过程中的空气和诊断性肺部评估设备[1]。肺部诊断设备利用人体从口腔中呼出的强有力的气体进行肺部评估。在这个过程中，空气从肺的支气管气囊中以稍高的温度被强制移动这种有力的人类呼气是具有高速度、温度梯度和胸壁运动的主要能量来源。本文研究了肺量计诊断设备中自主用力呼气的能量利用问题图图1（1a：流速-肺容积图，1b：肺容积-时间图）显示了ATS标准[29]中提到的肺活量测定试验的标准肺活量测定图。观察到（图la和b）取决于个体的肺容量，在呼气的前几秒期间，流速和体积达到8-10 L/s和5- 6L的最大值。这报告了关于呼出空气能量收集的一些要点：1.在测试过程中，可在几秒钟内提供可变空气力。2.小范围的流速和体积，即在测试期间有限和低的空气力的可用性。3.根据人体的物理参数（身高、体重、年龄）和性别，呼出的空气力会发生变化。4. 在不干扰呼出气流的情况下，用于放置和布置采集传感器的管道的尺寸限制。本文讨论了在肺评估过程中使用肺量计中可用的来自呼出空气的压电材料的能量利用在这方面进行的计算，模拟和实验证明论文概要如下：第3节：肺量计管道中呼出气体的压力分析;第4节：PVDF膜的实验;第5节：结果讨论;第6节：结论。3. 管道中呼出气体的压力分析医疗设备中使用的一种装置，称为“肺活量计”，用于实验。肺活量计是医生用来评估肺活量的诊断仪器。受试者的呼出空气速度和体积用放置 在 管 道 中 的 传 感 器 测 量 。 ‘American Thoracic Society’ (ATS)guidelines have been followedinselectionofmouthpieceandpipe图2示出了示意性布置，图3给出了管道和传感器的详细几何形状。在所提出的布置中，口衔片靠近受试者的口放置已经注意到组件的放置，使得呼出的空气直接被迫进入管道，而没有任何压力损失。气流传感器、热敏电阻和聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜（一种能量利用传感器）被放置在管道中，在吸嘴之后（图11）。 3）。将所用PVDF 膜 层 压 在 聚 酯 （ Mylar ） 片 材 中 （ measurementSPECIALTIES，US）。 该实验装置用于所有实验。首先开发了肺活量计;使用热敏电阻，因此此处考虑了放置有两个传感器的管道（图1和图2）。2和3）进行压力分析。在肺活量测试中，分析气流、体积和呼气时间以确定肺活量。因此，进行了初步研究，以获得正常健康人的流速和速度。对22名受试者进行了测量（17名男性和5名女性; 20岁;体重= 60.27 ± 13.86 kg [平均值± SD];身高= 1.70 ± 0.11 m;口径= 0.009 ± 0.001 m）。如图2所示，通过在肺活量测定管中呼气，以稳定和稳定的状态对处于坐姿的受试者进行读数。在记录时遵循肺活量测定程序，即使用实验室设备取三个连续读数的平均值。观察结果显示，呼出空气速度变化范围为2.2 ~ 9.9 m/s（5.66 ± 1.57m/s，平均值± SD），呼气时间变化范围为2.10 ~ 8.21 s（4.42 ± 1.73s，平均值± SD）。男性参与者（最高1.85 m，体重64 kg）产生的最大流速为9.9 m/s。女性候选人（最高1.67米，体重49公斤）产生4.7米/秒的流量。因此，观察到基于性别和物理参数的呼气速度的变化。这给出了重要的观点，即有限的和可变的呼出空气可在短时间内用于从肺活量测试中获取能量。从这项试点研究中，进一步采用0.009 m口直径、2334M.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 一个 国际 杂志 20 （2017）332××Þ ÞFig. 1. 标准肺量计图[29]。(a)流速-体积（b）图二.管道中呼气示意图图三. 管道和传感器的详细几何形状。使用计算流体动力学（CFD）的压力分析（在控制条件下检查管道中的气流特性的手段）被执行以评估负载效应，即由于在管道中插入传感器而导致的呼出空气中的STARCCM CFD软件可模拟静态（稳态条件）、湍流（第3节）气流（2 m/s和10 m/s），0.335 kg/m3密度（第3.1节）和37°C温度（正常人体温度）。在入口速度和出口压力下（当管道与大气相通时）是边界条件。所有其他边界均视为闭合管壁。对于两种速度，获得了从管口到管端的压力和速度分布（图1和图2）。4和5，速度为2 m/s）。对于10 m/s的空气速度观察到类似的结果。2 m/s和10 m/s速度下获得的CFD模拟结果见表1。模拟结果（图图4和图5以及表1）证实，由于管道中存在热敏电阻和PVDF膜，存在非常小但可变的压力损失和小的速度变化。因此，由于放置在管道中的两个传感器导致的能量损失可忽略不计，对肺参数的影响很小[29]。PVDF膜的存在产生0.16 psi的压降（31.41从速度、密度、马赫数和管道尺寸可以很好地描述管道中呼出气体的性质和能量含量在没有任何传感器阻塞的情况下，可以通过估计呼出空气雷诺数和管道摩擦系数来分析管道中产生的压力变化[30]。这里提出的评估，支持用于实验的管道的选择，并有助于估计呼出的空气能量。计算了流动的雷诺数（表示流动的性质，Re=qmD/l）和马赫数（表示可压缩性，即密度效应，马赫数=m/声速）对0.04 m管道直径（D）、0.08 m管道长度（L）、2 m/s和10 m/s空气速度（m）、20℃和40 ℃温度、20 ℃和40 ℃空气流速（m）、20℃和40℃空气密度（q）分别为1.205kg/m3和1.127kg/m3， 15.11 × 10- 6 kg/m3和1.127kg/m316.97 10-6 kg/ms粘度（l）和14.71 psi压力，可从CFD模拟中获得。管内湍流的压降[31]使用Darcy方程（1）计算Dp¼fV2Lq=2gD1达西（1）由穆迪公式2计算得出。根据穆迪图表[31]，PVC管的“e”值非常小目前的计算。不同的计算流量参数见表2。f¼0：0055120; 000e106=Re1=3 2计算表明，对于所有提到的条件，整个管道中存在非常小的压降（0.009-0.220 psi），没有阻塞。达西摩擦系数（0.02）表明管道内表面光滑。这两个结果都证实了管道尺寸和材料对总体呼出空气压力损失的贡献非常小。通过管道的呼出空气的湍流性质（Re> 10，000）确保在PVDF膜上产生电压产生所需的动态力。呼出气流是可压缩的（马赫数0.2），即呼出空气的密度保持恒定，这对呼出空气能量计算很重要。这种分析，小的压降，可忽略的摩擦损失和管道中的流动性质，证实了PVDF膜放置的管道尺寸的正确选择。3.1. 呼出空气能量计算已使用标准肺活量测定空气量对健康人的呼出空气能量进行了估计[29]。用于能量计算的参数为：呼出空气量、FVC（强制M.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）332335见图4。 流速为2 m/s时管道中的压力分布图五. 2 m/s流速下管道中的流速剖面。表12 m/s和10 m/s时管道中的压力和速度变化管道进出口压力（psi）PVDF薄膜造成的压力损失（psi）热敏电阻引起的压力损失（psi）热敏电阻引起的速度变化（m/s）PVDF膜引起的速度变化（m/s）管道进出口流速（m/s）2米/秒10 m/s2米/秒10 m/s2米/秒10 m/s2米/秒10 m/s2米/秒10 m/s2米/秒10 m/s14.7115.830.162.760.162.7610.4436.8531.4073.7541.88147.4014.7114.9131.41110.55表2管道中的压降温度°C速度m/s雷诺数Re摩擦系数f（m）压降DP（psi）马赫数2026379.880.0230.0090.00581031899.400.0230.0240.0294025966.900.0230.0090.00561029834.540.0220.2200.028肺活量）：4.8 L（男性）和3.7 L（女性）; 4 s呼气时间;增加0.041kg/kg干燥空气湿度; 37 °C人体体温; 0.09 m口径。通过考虑将37 °C下的干燥空气水分含量添加到呼出空气中来计算呼出空气的密度和质量[32]。这种考虑这一点很重要，因为呼出的空气在通过肺系统时充满了湿气[7]。呼出空气速度（m/s）和体积流量（m3/s）由标准体积流量（Q=vA）确定。计算了风力（½qAm3）和动能（½mm2）。经过计算，观察到，336M.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 一个 国际 杂志 20 （2017）332-见图6。 实验装置示意图。呼出的空气在健康男性体内产生0.00113J能量和1.12 W功率。与此相比，女性对应物产生更少的功率（0.5 W）和能量（0.0013 J）。因此，在肺活量测定测试期间，可获得小的和基于性别的呼出空气功率和能量。4. 聚偏氟乙烯薄膜能量收集对于实验，已经选择了具有28 μ m厚度的PVDF膜作为压电材料（ measurementSPECIALITES ， LDT 1 - 028 K ， DT Series ，US）[33]。薄膜具有较大的压电应力常数（g31：216/ 10-3，g33：-330/10-3 Vm/N）和压电应变常数（d31：23和d33：33 pC/N）[33]。这证实了由于呼出的空气在管道中产生的低力而产生的可观的电压。此外，PVDF薄膜耐用，灵活和化学惰性。它还具有良好的机械强度和生物相容性，这有利于其在本研究中的使用。通过保持材料的极化轴、薄膜几何形状和化学成分不变，由于呼出的空气力，在PVDF薄膜上产生电压目前的研究措施Voc（开路）电压的PVDF膜相对于其在管道中的位置和配置在肺活量测试。此外，在整个实验过程中，膜在管道中的位置和位置没有改变。PVDF膜以厚度模式放置在管道中，即垂直于呼出空气的流动方向，如图6所示。它的一端是固定的，偏转在比例到的呼出气流速度已进行实验以检查体积流量和热电效应，即呼出空气对PVDF膜的温度效应。图图6和图7示出了用于研究PVDF膜响应的示意性布置和实验设置。使用3 L校准注射器模拟呼气，其中将管放置在安装有PVDF膜的注射器的末端（图1）。 6）。实验是通过手动推动不同的空气流量，在不同的速度和温度下，由注射器通过管道进行。使用受控电烘箱将空气温度以2 °C增量从30 °C改变至50 °C。PVDF膜的峰值电压（Voc）用示波器（HP型号974A）和数字存储示波器（HP型号54600B）记录。薄膜的体积效应和热释电效应的实验观察结果如图8所示。观察到，对于2.5 L体积，PVDF膜产生最大1.1 V即体积流速对膜的输出具有积极影响。 热释电效应由电压从0.6V至1.1 V（30 -50°C）。从图中可以看出。从图8可以看出，PVDF膜产生的输出电压随体积和温度的变化而变化。但是在实验过程中的人工干预显示出测量中的一些非线性，这是可以接受的。实验结果表明，PVDF薄膜对不同的人体呼出气流量具有良好的响应体温（热电效应）也支持PVDF膜产生电压使用如图3所示的实验设置来研究真实生活受试者 18例受试者（11例女性和7例男性）参与了研究，身高为1.59 ± 0.12 m（平均值± SD）;体重为52.94 ± 12.16 kg，年龄为26.77 ± 15.35岁。本文报告了受试者参与标准肺量计测试时所获得的峰值电压的实验观察结果。测试包括从多个PVDF膜获得电压，并通过将它们以串联和并联配置物理连接。观察1，2，3个串联和并联结构的薄膜（图1）。 9 a和b）。5. 讨论使用回归技术分析获得的测量结果。在受试者组的研究中，将这些值取平均值见图7。 实验设置。M.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）332337见图8。PVDF薄膜的体积效应和热释电效应。图9.第九条。（a）PVDF膜的串联（b）PVDF膜的并联表3物理参数和PVDF输出之间的相关性。身高体重年龄并计算各个参数的标准偏差。然后计算Pearson积矩相关系数（R 2）的平方认为p0.05的值具有统计学显著性。这些值报告在表3中。还有Fig.图10 -13示出了在物理参数和相应的PVDF输出之间绘制的曲线图。据观察，男性候选人比女性候选人产生更多产出。男性参与者产生的最多1.3 V比女性对应0.7 V。最大高度为1.82 m（男性）时产生的最大电压为1.3 V。产生的电压随着系列高度的增加而增加见图10。 性别和PVDF产出。R2PR2PR2P1个PVDF0.400.0130.119.76/ 10-090.249 0.462 PVDF系列0.450.0060.100.900.170.223 PVDF系列0.500.0040.080.700.160.082 PVDF并联0.530.0300.160.800.280.023 PVDF并行0.550.0030.180.910.280.02338M.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 一个 国际 杂志 20 （2017）332见图11。 高度和PVDF输出。见图12。 重量和PVDF输出。图十三. 年龄和PVDF输出。以及平行配置和膜的数量。还观察到基于性别（更多的男性参与者）的PVDF膜响应的正高度效应对于所有薄膜配置，并未观察到重量与PVDF输出之间的强关系，例如，最大80 kg女性候选人产生0.25 V，但76 kg男性参与者产生1.3 重量较大的女性候选人产生的电压低于男性参与者。年龄对电压产生有直接影响。 67岁男性候选人产生1.3 V，55岁女性候选人产生0.57 V。小年龄参与者（13岁，体重30 Kg，身高1.34m，产生0.42 V）显示出比老年参与者更少的电压产生。测量（Fig. 10-13）显示，使用单一PVDF产生的电压为0.002 V至0.486 V，0.13 ± 0.11 V（平均值± SD）。在串联配置中，产生的电压为0.02至M.R. Mhetre， H.K. Abhyankar /工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）3323390.67 V（2 PVDF），0.21 ± 0.166 V（平均值± SD）; 0.04至0.86 V（3 PVDF），0.35 ± 0.22（平均值± SD）。产生并联配置电压是0.195-1.03 V（2PVDF）平行）0.52 ± 0.26（平均值± SD）和0.254至1.30 V（3PVDF）0.64 ± 0.32（平均值± SD）。膜的并联配置显示电压比串联配置（0.2 - 1.0V）增加（0.2- 1.3V）。在并联配置中，由于在所有膜上一次产生类似的相位信号，应力感应电压增加。在串联配置的情况下，由于一次在膜上产生的不同相位信号的添加，产生较少的电压。电压随着PVDF膜的数量而增加，但所涉及的成本也增加。从表3中可以观察到身高、体重和年龄之间的显著相关性。高度与PVDF膜输出密切相关（P0.05），并且具有高达50%的依赖性（平均R2= 0.50）。体重与体重的相关性较弱（P> 0.05），相关性仅达10%（平均R2= 0.10）。老化效应与PVDF膜的电压输出具有良好的相关性（p0.05），并且与PVDF膜的电压输出具有高达20%的依赖性（平均R2= 0.20）。因此，PVDF膜连接在并联配置比串联配置更适合于这种收获方法。在PVDF膜上产生的电压是有希望的，但需要适当的调节和存储安排。6. 结论人类呼气是一种有前途的风能来源，可用于肺评估期间的收获。模拟和计算表明，采用直径为40 mm的肺量测定管采集肺量较为方便。管道尺寸限制PVDF电压产生能力，因为压力损失随着管道直径的增加而增加。PVDF薄膜对使用校准注射器模拟呼气的响应报告最大电压生成高达1.1这与实际受试者的读数接近。不同受试者参与的实际生活测量表明，并联配置的3个PVDF膜产生的电压比串联配置（0.04 V至0.86 V）在0.25 V至1.3 V的范围内，因此可用于收获。与这种单一PVDF膜相比，其产生的电压非常小，范围为0.002 V至0.486 V。男性参与者比女性参与者产生更多的1.3 V输出，即0.7 V。最大高度为1.87 m的受试者产生的电压为1.2 V，并显示输出电压的正向增加。体重最大的人产生的电压较小，为0.254 V，对体重的依赖性较小。受试者年龄的增加，即67岁，产生更多的1.3 V电压，因此有用。肺活量测定测试期间呼出空气的瞬态性质导致压电材料的平均电压输出较低。但是由于管道中存在PVDF膜，压力损失可以忽略不计，因此是有利的。因此，在不干扰肺参数测量的情况下，成功地执行了利用压电材料的呼出空气能量采集。确认作者感谢浦那胸部研究基金会在实验期间提供必要的支持。还要感谢 来 自 Equilibrium Solutions Pvt. 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