International Telemetering Conference Proceedings / October 26-29, 1998 / Town & Country Resort Hotel and Convention Center, San Diego, California / A novel concept using the cockpit voice recorder (CVR) as a structural vibration recording device, to aid in structural health monitoring of commercial and military aircraft, is outlined. The unused cables in the CVR wiring harness act as “latent transducers” that respond to structural vibrations, generating vibration signals, which the CVR records. Postprocessing of such data can provide clues to problem areas or changes in the signature of the aircraft. The standards which the CVR must meet to qualify as a instrumentation-quality recorder are discussed and the steps required to assure compliance are outlined.

We are surrounded by enormous amounts of ambient mechanical energy that goes to waste such as rain drops, human footfalls, air flow, ocean waves, just to name a few. If such otherwise wasted mechanical energy can be effective converted into electricity, self-powered electronics are very likely to be realized, which can address the limitations of traditional power supplies in many cases, such as wireless sensor networks. Here in this work, two types of energy-harvesting nanogenerators (NGs) based were studied. For piezoelectric nanogenerators, zinc oxide (ZnO) nanowires (NWs) were used as building blocks to develop integrated NGs based on a number of ZnO NWs instead of a single NW. Two types of integrated NGs were developed, which consist of lateral NW arrays and vertical NW arrays. The electric output power was substantially enhanced compared to the design with a single NW. For triboelectric nanogenerators, triboelectric effect was innovatively used as an effective means of harvesting mechanical energy. The operating principle can be explained by the coupling between triboelectric and electrostatic effect. Two types of operating modes were invented, i.e. contact mode and sliding mode. Triggered by commonly available ambient mechanical energy such as footfalls, the maximum output power reached up to 1.2 W. More importantly, self-powered systems were built by using the NG as a power source. It can provide real time power for up to 600 commercial LED bulbs. This research not only provides the fundamentals for NGs but also demonstrates the practicability of using the self-powered technology in our daily life.

La fonctionnalisation « intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène à croissance rapide. L’installation des smartphones dans le quotidien des personnes en une décennie à peine en témoigne. L’autonomie énergétique de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes d’ergonomie que de ressources : l’usage de piles ou batteries électrochimiques à l’échelle de milliards d’objets connectés est difficilement envisageable. La récupération d’énergie se pose en alternative pour complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser l’énergie mécanique de la personne afin d’alimenter un vêtement intelligent en énergie électrique.Après avoir identifié le besoin énergétique d’un vêtement connecté typique, et comparé les possibilités des récupérateurs d’énergie de la littérature, trois formats de récupérateurs d’énergie sont étudiés. Le premier est un générateur inertiel à induction résonant non linéaire, de la taille d’une pile AA et permettant l’exploitation des impacts des pas de la personne. L’étude porte essentiellement sur la modélisation et l’optimisation du système pour l’activité humaine. Le prototype associé présente une densité de puissance supérieure à 500µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un générateur inertiel à induction. D’une forme « toroïdale », il exploite le balancier des membres de la personne, et est capable de produire des puissances supérieures au milliwatt lorsqu’il est fixé au niveau du pied ou du bras. Enfin, le troisième concept de récupérateur d’énergie proposé s’appuie sur la transduction électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe la triboélectricité avec un circuit d’auto-polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser l’énergie électrostatique générée. Le dispositif réalisé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de 150µJ par cycle. Cette architecture électrostatique ouvre d’intéressantes possibilités en matière d’ergonomie et d’intégration dans les vêtements. En effet, elle laisse entrevoir le développement de structures étirables et flexibles s’adaptant bien aux contraintes de cette application.La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du domaine de la conversion de l’énergie mécanique de la personne. / The functionalization of common objects in the human’s environment with electronics is a fast-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of ergonomics as well as resources: the use of electromechanical batteries to fuel billions of connected “things” is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to efficiently convert the user’s mechanical energy to ensure the electrical self-sufficiency of smart wearables.Based on power requirement considerations for a typical “smart shirt” and comparing human energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly modelled and optimized device is able to generate power densities over 500µW/cm3 while attached on the arm during a run. The second considered energy harvester format is a “looped” inertial structure which is adapted to exploit the swing-type motions of the user’s limbs. This system is able to produce milliwatts-level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric effect with a circuit of built-up self-polarization, Bennet’s doubler. It enables high levels of bias voltages without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle. A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well complying with the comfort requirements of worn systems.The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future developments of energy harvesters converting one’s mechanical energy.

This diploma thesis deals with the feasibility of using PVDF nanofibers as an active sensor layer generating electrical signal. PVDF and related electromechanical effects are described. A research study is conducted regarding existing PVDF nanofiber applications and based on it, an event sensor design utilizing triboelectric effect and electrostatic induction is proposed. The electrical response of the layers is experimentally investigated and a pulse detection algorithm is conceived and implemented. Finally, a way of integrating the sensor into a rail track is proposed.

Plusieurs types de dispositifs mécaniques (à vibration, à cylindre tournant, à lit fluidisé) mettant en jeu l'effet triboélectrique sont actuellement utilisés pour charger électriquement les constituants des mélanges de matériaux isolants granulaires, en vue de leur séparation dans un champ électrique intense. La non-uniformité de la charge des granules à la sortie de ces dispositifs affecte l'efficacité de la séparation, d'où l'intérêt des recherches visant la mise au point de procédés électrostatiques nouveaux, notamment pour des applications dans le domaine du recyclage des déchets. L'utilisation simultanée de l'effet triboélectrique, de la force de Coulomb et de la force d'image électrique est la solution innovante selon laquelle ont été conçus les quatre dispositifs à lit fluidisés réalisés ou améliorés dans le cadre de cette thèse. L'évaluation des performances de ces dispositifs a été rendue possible par la mise en oeuvre de systèmes de mesure complexes, permettant l'enregistrement continu et simultané des charges et des masses des produits de la séparation. Ainsi, la méthode des plans d'expériences pour surfaces de réponse a pu être utilisée pour modéliser le processus de séparation et déterminer les valeurs optimales des variables de contrôle de chacun des dispositifs, tels que le niveau de la haute tension d'alimentation ou la vitesse de l'air de fluidisation. Les résultats obtenus sur les installations de laboratoire et sur un prototype préindustriel recommandent cette classe de procédés tribo-aéro-électrostatiques comme la solution de choix pour le recyclage des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques. / Several types of mechanical devices (vibratory trays, rotating drums, fluidized beds) make use of the triboelectric effect for electrically charge the constituents of insulating materials granular mixtures, in view of their separation in a high-intensity electric field. The non-uniformity of granule charge at the exit of these devices adversely affects the separation efficiency, justifying the researches aimed at the development of novel electrostatic processes, mainly for applications in the field of waste recycling. Simultaneous usage of the triboelectric effect, the Coulomb force and the electric image force is an innovative technical solution according to which four fluidized bed devices were built or improved within the framework of this thesis. The performances of these devices could be evaluated by setting up complex measurement systems that enable the continuous and simultaneous recording of the charges and masses of the separated products. Thus, the experimental design methodology could be used for modeling the separation process and identify the optimum values of the control variables of each device, such as the high voltage level of the speed of the fluidization air. The results obtained on laboratory devices as well on an semi-industrial pilot installation recommend this class of tribo-aero-electrostatic separation processes as the solution of choice for the selective sorting of plastics from waste electric and electronic equipment.

Målet med detta arbete var att konstruera en mycket känslig laddningsförstärkare som kan detektera och förstärka laddningar i storleksordningen femtocoulomb. Laddningsförstärkaren är tänkt att användas vid Habia Cables kabeltillverkning för att karaktärisera lågbruskabel med avseende på störning genererad av triboelektrisk uppladdning. Den bästa lågbruskabel Habia Cable tillverkar, så kallad super-lågbruskabel, uppvisar så låg triboelektrisk störning att vanliga laddningsförstärkare inte kan detektera den, därav behovet av en känsligare laddningsförstärkare. I en inledande litteraturstudie söktes information om triboelektrisk uppladdning och hur triboelektrisk uppladdning orsakar störning i kablar. Genom litteraturstudien inhämtades också teori kring hur laddningsförstärkare är uppbyggda och vilka speciella krav som ställs på dessa för att kunna detektera mycket små laddningar. Sedan vidtog arbete med att konstruera en laddningsförstärkare med kretsdesign, kretskortsdesign, lödning, inbyggnad och testning. Resultatet blev en laddningsförstärkaren som kan mäta laddningar från uppskattningsvis 0,1 femtocoulomb till 100 picocoulomb. Vid kvantifiering av triboelektrisk störning i super-lågbruskabel uppmättes så låga laddningar som 1,3 femtocoulomb. / The goal of this project was to construct a sensitive charge amplifier that could detect and amplify femtocoulomb charges. The charge amplifier is to be used at Habia Cable manufacturing sites to quantify the triboelectric noise performance of lownoise cables. Super-low-noise cables manufactured by Habia Cable perform so well regarding triboelectric noise that common charge amplifiers cannot detect the noise, thus the need for a more sensitive charge amplifier. Initially a literature study was performed in order to better understand triboelectric charging and triboelectric noise in cables. Thru the literature study knowledge of charge amplifiers and low charge measurements was also gained. After the literature study a charge amplifier was constructed. Work included circuit design, PCB design, soldering, construction of enclosure and testing. Tests shows that the constructed charge amplifier can detect charges as low as 1.3 femtocoulomb when quantifying triboelectric noise in super-low-noise cables. The charge amplifier can measure charges from approximately 0.1 femtocoulomb to 100 picocoulomb.