用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验

为了解决微型胃肠道胶囊机器人或其他可植入医疗设备无法使用电源线供电以及无线能量发射系统性能差的问题,本文提出了一种新的U型发射线圈无线能量传输系统。与传统的螺线管对式的发射线圈相比,通过结构的改进,首次将磁芯加入到了发射线圈中。该系统可以极大地改善传输过程中传输效率低,机器人接收功率低的问题。本文建立了所提出的U型发射线圈无线能量传输系统的理论模型,并通过有限元模拟对其进行了分析。搭建了U型发射线圈无线能量传输系统平台对其能量传输效率和接收线圈的接收功率进行了测试,以验证所提出设计的有效性。实验结果表明,所提出的U型无线能量传输系统的传输效率最高达到14.13%,接收功率最高为3 780.75 mW,能够满足机器人工作的功率要求。     

用于胃肠道机器人的 C 型组合式无线能量 发射线圈的设计与实验

现有适用于胃肠道机器人的无线能量传输系统的能量传输效率低、接收功率低且接收能量的位置均匀性差,无法满足 功能复杂的新型胃肠道机器人的能量需求。 本文提出了一种新型 C 型组合式发射线圈结构,通过有限元仿真分析供能单元组 的磁感应强度大小和位置均匀性,确定供能单元组中线圈对间距的实验优化范围。 最后搭建实验平台,优化供能单元组中线圈 对间距,通过系统的能量传输效率、接收功率以及接收功率的位置均匀度对设计进行评估与验证。 实验结果表明:当线圈对间 距为 150 mm 时,中心位置的接收功率为 1 165. 34 mW,系统的能量传输效率为 6. 08% 。 系统的平均功率约为 1 100 mW,平均 能量传输效率达 6% 以上,接收功率的平均位置均匀度达 94% 。 新型 C 型结构磁芯以及采用同一时刻只有一个供能单元组工 作的组合式线圈结构,极大地改善了系统的接收功率与能量传输效率,并有较高的接收能量的位置均匀性。     

多维无线能量传输系统的设计与优化

为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输,减小接收线圈的绕制维度、体积与产热,设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向,同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯,其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整,减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型,通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高,最后通过搭建实验平台进行测试,优化了单维接收线圈的参数,同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明,在线径为0.05 mm的条件下,所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12,优化后的匝数为120。当发射电压为15 V,发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1 578mW,能量传输效率为3.85%。该系统在300～500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。     

用于肠道机器人的螺旋式平板发射线圈对设计

传统的肠道机器人无线能量传输系统发射线圈普遍采用中空圆柱体轴向绕线的方式,空间占用体积较大,限制了被检查者的活动空间,绕制复杂。本文提出了一种用于肠道机器人松耦合无线能量传输系统的发射线圈结构,由方形螺旋式绕制的平板线圈对组合而成,极大缩减了线圈的轴向长度,有效减少了发射线圈的体积,线圈结构更为简单轻薄。介绍了无线能量传输系统的工作原理,通过Comsol仿真分析了所设计线圈的磁场分布规律。最后,实验验证了该能量发射装置设计的可行性,并确定了最佳谐振频率。实验结果表明,在工作频率为213 kHz时,线圈对中心处无线能量传输系统的功率为787 mW,传输效率为5.7%,能够满足肠道机器人的功率需求。     

胃肠道机器人的无线能量传输系统的优化

胃肠道机器人的无线能量传输(WPT)系统的性能易受到尺寸、安全性等诸多因素的影响。为使胃肠道机器人在这些限制下依然能够安全稳定地接收能量,本文建立了系统的数学模型,并用智能优化算法对其进行优化。采用平板螺旋线圈作为系统的发射线圈,建立能量传输系统优化的数学模型。接着,根据安全性、功率要求等限制分析系统的约束条件,并以效能积作为优化函数。对粒子群优化算法进行改进,并引入布谷鸟搜索策略。最后,用改进的粒子群算法对系统进行优化,并对优化后的参数进行了实验验证。实验结果表明:系统传输效率为10.2%,接收功率为637 mW,达到预期结果。优化后的WPT系统基本满足了胃肠道机器人能量传输的要求。     

无线胶囊内窥镜新型接收线圈结构设计与分析方法

目前无线胶囊内窥镜(WCE)供应能量过低,限制了其诊查胃肠道病灶的性能。基于此提出了镂空三维接收线圈,线圈里可放置无线胶囊其他模块,进一步缩小无线胶囊体积。根据电磁场理论提出单匝分析法,分析了此线圈感应电动势和接收功率,并提出均匀度性能指标建立最优化模型,得出线圈最优设计参数;搭建角度姿态旋转平台测量线圈的感应电动势,实验测得感应电动势与理论值误差小于6%,验证了单匝分析法和线圈设计的合理性;将此线圈供能的无线胶囊内窥镜植入活体猪小肠内,得到的图像传输速率稳定为30 f/s,分辨率为400×400。新型线圈可给胶囊内窥镜提供充足稳定的能量,用于胃肠道疾病诊查。单匝分析法的应用不仅限于此结构的线圈,也可用于他它发射、接收装置相对位置和角度变化的植入式医疗设备的功率分析,并且此方法可用于求解发射和接收两级线圈之间的互感等电磁参数。     

面向超高场核磁共振应用的微型接收线圈制作与实验研究

为实现纳升级微量样品检测,结合商业常规核磁共振3.2毫米探头,本文研究了两种类型的自谐振微型接收线圈。当无线传输能量时,探头螺旋管形成射频脉冲激励能量。而微型接收线圈对该能量进行接收后以样品为作用目标,并采集信号回传,把感应获取的磁共振信号传输到探头螺线管。与现有磁共振探头不同,本文提出Pigtail型和Stripline型微接收线圈结构。实测结果显示,线圈谐振频率达128MHz和935.7MHz,应用于3T超导核磁共振设备初步完成了蔗糖波谱的测试分析实验,表明微型接收线圈对提高谱线分辨率有重要作用。     

体内微机电系统的三维无线能量传输装置的设计和实验

设计了基于电磁感应原理的体内无线能量传输系统,为体内内窥镜胶囊提供能量。首先,通过建立数学模型对三维无线能量接收线圈正交绕组的接收性能进行仿真,获得不同姿态下系统的耦合系数。结果表明:三维正交线圈在不同姿态下能有效地进行互补。然后,根据体内内窥镜胶囊尺寸要求,设计制造了微型接收绕组和整流稳压电路,并用此系统给自制的图像采集系统供能,且对实际传输的电压和电流进行测量。实验结果表明:该三维接收系统的能量传输效率和稳定性能够满足实际需要。     

胶囊内窥镜便携式无线能量发射系统

对采用电磁感应无线能量传输(WPT)系统为视频胶囊内窥镜(VCE)提供能量的技术进行优化,主要对无线能量发射系统进行了改进,并搭建了便携式WPT平台。通过比较磁场强度和均匀度,选定了合适的发射线圈结构;通过分析谐振原理并测试Q值变化,确定了传输频率;在发射电路中加入可调电感提高频率稳定性,并测量了电流的波动情况。实验显示:优化设计的WPT系统稳定可靠,VCE在WPT平台上工作正常,可以30frame/s的帧率向接收天线发送分辨率为320×240的图像,功率为78.4mW。该无线能量发射系统可携带,传输效率和稳定性受人体行动影响较小,可保证VCE在高频率和高分辨率状态下持续工作,提高了VCE临床应用的可行性。     

无线传输系统线圈的仿真模拟

线圈作为无线信号能量传输系统的重要组成部分,其结构属性是影响能量信号传输效率的主要因素.通过建立有限元仿真及Matlab仿真,应用毕奥-萨法尔定律对影响磁感应强度的线圈参数进行了分析,并根据电磁感应基础理论由纽曼公式计算出在一定间距下共轴载流圆线圈间互感系数的表达式,进一步分析了线圈的形状、空间位置以及发射线圈和接收线圈的半径比对互感耦合系数的影响.结果表明,当线圈的最佳半径为线圈间轴向间距值的2倍时,能获得最大的线圈磁感应强度,并利用Matlab遗传算法程序优化,得到了线圈半径和线圈间轴向间距的最优解.     

一种小型磁谐振式无线电能传输系统的实验研究

针对基于电磁感应的无线充电的Qi标准实现充电的前提是两线圈必须相靠极近且位置相对固定的问题,对磁谐振式无线电能传输技术的原理及模型进行了研究,并分析了几个影响电能传输效率的因素。设计并制作了一种小型磁谐振式无线电能传输系统的发射端线圈,以增加无线电能传输的距离及产生较大范围的磁场,从而使接收端可以在更大范围内移动,接收端线圈则采用了通用的接收线圈以增加系统的实用性。实验结果表明,该系统能正常工作并且发现系统的谐振点,同时发现在该工作状态下传输的电能也最多,同时传输距离也变长。     

电力电缆分布式测温系统取能电源研究

供能电源一直是电力电缆和输电线路在线监测系统亟待解决的关键问题.分析了现有供能电源存在的不足,设计了一种电力电缆分布式测温系统的取能电源.该电源根据电磁感应原理,利用带气隙的线圈从高压电缆感应取能,并通过电源管理单元和充电管理单元,将电缆电流转变为稳定的输出电压,为分布式测温系统供能.基于此,通过理论分析和软件仿真,实现对取能线圈结构参数最优匹配,满足实际线路需要;通过电源管理单元和充电管理单元,有效解决了电源续航能力和输出电压稳定性问题.实验结果表明,该取能电源能够为电力电缆分布式测温系统提供足够的能量,满足可靠性要求.     

体内微机电无线能量传输系统性能仿真与实验研究

介绍了体内微机电无线能量传输系统的基本构成,应用Matlab Simulink工具建立系统仿真模型,研究了负载对初级绕组电流和负载电压的影响,以及负载与系统频率对输出功率和传输效率的影响。同时建立了无线能量传输测试系统,仿真值与测试结果是一致的。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

丹酰氨基酸的胶束毛细管电动色谱分离方法研究

本文用高效毛细管电泳法对9种混合丹酰氨基酸的分离条件进行了探讨。实验条件为:运行缓冲液20mM硼酸钠缓冲液,内含130mM的十二烷基硫酸钠(SDS),pH9.1;工作电压:22kV;电流:146μA;检测波长:214nm;测定温度:20℃;以气压方式进样3s,9种丹酰氨基酸获得了完全分离。     

用于体内胶囊式遥测系统的电磁跟踪定位方法

提出了基于电磁检测原理的定位方法。该方法在体表布置多个电磁发射线圈,通过胶囊内密封的接收线圈检测所在点的磁感应强度,利用检测值,根据磁感应强度和该点位置坐标之间的函数模型反向求解出位置信息。设计的悬浮式单维接收线圈,能始终保持接收方向的恒定,不仅大大减少了接收线圈和发射线圈维数,也大大降低了求解模型的复杂性,满足了胶囊内严格的空间限制和功耗限制。设计了完整的电磁定位系统,构建了三维实验平台,并开展了38个位置点处的检测,将结果代入定位软件求解后表明,三个坐标方向的定位误差均在4 cm以下,平均定位误差在2 cm以下,小于同类研究的定位误差。     

胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

提出了用三维接收线圈组成接收电路,解决由于无线胶囊内窥镜在人体消化道内姿态不确定所带来的接收能量不稳定问题.分析了由三维接收线圈组成的不同接收电路的接收效果,得出了对每一维线圈单独全桥整流后再并联输出的电路结构是最适合于为胶囊内窥镜供能的电路.计算了该接收电路的输出范围,并通过试验对其进行了验证.结果表明:当发射功率为 25 W时,胶囊内窥镜可在姿态任意变化的情况下获得320 mW以上可用能量,满足其高清晰度、高帧率功能对能量的需求.