腕戴式低功耗無線心率監(jiān)測裝置的研制

周聰聰，涂春龍，高云，等

摘要：研制新型的基于雙通道脈搏傳感的腕戴式無線低功耗心率實時監(jiān)測裝置。根據(jù)人體腕部生理解剖的特點，提出橈動脈、尺動脈雙通道脈搏波及差分信號同步檢測的新方法。研制了集傳感器、調(diào)理電路、微處理器、通訊、自動增益算法和心率算法等軟、硬件部件于一體的小型化裝置。電路系統(tǒng)測試表明：在待機和工作模式下的平均工作電流分別約為10和300 μA；對10名男性在休憩狀態(tài)下的心率進行3 h的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，將測試結(jié)果與標準動態(tài)心電圖記錄的數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明，心率測量的算術(shù)平均誤差約為0.3 BPM。心率，特別是靜息心率，是衡量心血管疾病的一個重要指標。本文設(shè)計研制了一種新型的基于雙通道脈搏傳感的腕戴式無線低功耗心率實時監(jiān)測裝置。首先，在傳感檢測方法上，提出了橈動脈、尺動脈雙通道脈搏波及其差分信號同步檢測方法，并通過實驗驗證了其對輕微運動具有一定的抗干擾能力；其次，在算法研究中，設(shè)計了AGC算法和心率算法，根據(jù)PPA和PPS標準差的差異實現(xiàn)了對腕表空載、靜息和運動3種狀態(tài)的正確識別；再者，電路測試表明該集成一體化裝置具有較好的低功耗性能；最后，通過對比測試，表明該裝置對休憩狀態(tài)下的心率檢測有較好的精度。然而，在本研究中系統(tǒng)也存在一定的不足和有待進一步改進和研究的地方。主要是脈搏信號檢測算法中，采用取10 s信號最大值的0.8倍作為閾值，并將小于該閾值的數(shù)據(jù)置零，這樣處理使得系統(tǒng)容易受一過性突發(fā)干擾的影響。系統(tǒng)自動增益的調(diào)整時間是固定的，可能導致對信號增益的瞬態(tài)調(diào)整不能及時響應(yīng)。通過進一步改進和完善，該裝置有望廣泛應(yīng)用于人體心率生命體征的長期實時監(jiān)測，如進一步添置其定位功能，則此裝置將在戰(zhàn)場救護，野外搜救等特殊場合下具有廣闊的應(yīng)用前景。

來源出版物：浙江大學學報（工學版）, 2015, 49(4):798-805

入選年份：2017

液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)

管成，徐曉，林瀟，等

摘要：為了回收液壓挖掘機在回轉(zhuǎn)階段的制動能量，提出一種基于回轉(zhuǎn)馬達進/出口壓力差自動識別回轉(zhuǎn)過程所處階段，決策能量回收的全液壓自動控制回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)。引入正態(tài)分布函數(shù)，以蓄能器壓力狀態(tài)（SOP）、液壓泵出口壓力以及負流量反饋壓力為輸入信號，根據(jù)負載的實時需求功率，提出一種以復(fù)合恒功率-負流量動力控制決策發(fā)動機和蓄能器主輔動力源的能量分配方法，保證回轉(zhuǎn)機構(gòu)的正常高效運轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果表明，當回轉(zhuǎn)系統(tǒng)作為單獨執(zhí)行機構(gòu)時，采用該回收系統(tǒng)的液壓挖掘機，能夠?qū)崿F(xiàn)高達 50.0%的再生制動能量用于驅(qū)動回轉(zhuǎn)的能量回收利用效率，在相同工況下比同噸位液壓挖掘機節(jié)能16.3%，不影響操作習慣和操作性能。液壓挖掘機作為工程機械的重要裝備之一，其工作環(huán)境惡劣、能耗大、尾氣排放嚴重，節(jié)能降排研究是該領(lǐng)域的研究熱點和難點。挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)減速制動力矩大，頻繁的回轉(zhuǎn)動作勢必產(chǎn)生巨大的回轉(zhuǎn)制動能量。據(jù)統(tǒng)計，液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)時間約占整個工作循環(huán)時間的50%～70%，耗能占總能量的25%～40%，回轉(zhuǎn)液壓油路的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～40%。當前，回轉(zhuǎn)制動能量多以熱能形式散失，引起液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，降低了回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作性能，更會影響系統(tǒng)工作壽命。對回轉(zhuǎn)制動能量進行回收和再利用，不但在節(jié)能上具有可觀的經(jīng)濟價值，而且能有效延長挖掘機液壓系統(tǒng)的壽命、提高系統(tǒng)工作性能。 目前國內(nèi)外關(guān)于挖掘機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計與控制策略方面有了一定的研究，但一般都采用油電混合動力系統(tǒng)。以超級電容和蓄電池為儲能元件的油電混合動力技術(shù)，存在如下幾項顯著缺點：1）蓄電池功率密度低，只有30～100 W/kg，不能很好滿足挖掘機瞬時大功率的需求；2）系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，整體能量回收釋放效率難以大幅度提高。而采用液壓蓄能器作為儲能裝置，保持其單一的液壓能形式，不需進行能量轉(zhuǎn)換，且液壓蓄能器的功率密度可達到500～1000 W/kg，與挖掘機瞬間需求大功率的工況相匹配。另外，蓄能器還具有使用壽命長，成本低的優(yōu)勢。國外混合動力汽車的研究表明，采用蓄能器可實現(xiàn)再生制動能量用于驅(qū)動車輛的效率達到61%，而油電混合動力傳動只有17%左右。綜上所述，以液壓蓄能器作為儲能裝置進行回轉(zhuǎn)制動能量回收，是實現(xiàn)挖掘機高效節(jié)能的有效途徑。本文提出一種以液壓蓄能器作為儲能裝置，采用全液壓自動控制回轉(zhuǎn)制動能量回收的系統(tǒng)，以蓄能器 SOP（the state of pressure）、液壓泵出口壓力以及負流量反饋壓力為輸入信號，引入了正態(tài)分布函數(shù)，并根據(jù)負載的實時需求功率，以復(fù)合恒功率-負流量動力控制決策發(fā)動機和蓄能器主輔動力源的能量分配方法，能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量的回收和再利用，在不影響操作習慣和操作性能的前提下能保證回轉(zhuǎn)機構(gòu)正常高效作業(yè)。

來源出版物：浙江大學學報（工學版）, 2012, 46(1):142-149

入選年份：2017