Offenburg University of Applied Sciences
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Evaluierung der effektiven Pedalkräfte bei der von dem Smartfit System empfohlenen Sattelhöhe
No full textDas Smartfit System unterstützt Bikefitter der Radlabor GmbH bei den grundlegenden Einstellungen am Fahrrad. Unter anderem gibt es eine Empfehlung für die Sattelhöhe an. In dieser Arbeit wird untersucht, ob eine Abweichung von dieser Empfehlung um ± 5° des Kniewinkels in der 90° Kurbelstellung Auswirkungen auf die effektive Pedalkraft hat. Untersucht werden zehn Probanden. Drei 2-minütige Radfahrtests werden bei 90 % der maximalen Leistung gefahren, bei denen alle drei Sattelhöhen getestet werden. Die maximale Leistung wird zuvor in einem Laktat-Stufentest auf dem Ergometer ermittelt. Die effektive Pedalkraft der linken und rechten Seite wird addiert und über den Kurbelverlauf gemittelt. Die gemittelten effektiven Kräfte der drei Sattelhöhen werden anschließend miteinander verglichen. Es gibt keine signifikanten Unterschiede der effektiven Pedalkraft zwischen allen drei Sattelhöhen (p = 0,319). Die effektive Pedalkraft der tiefen Sattelhöhe (- 5° Kniewinkel) ist im Schnitt 1,6 % kleiner als die der Smartfithöhe und die effektive Kraft der hohen Sattelhöhe (+ 5° Kniewinkel) ist im Schnitt 0,16 % größer. Die Empfehlung des Smartfit Systems bietet dem Bikefitter somit Spielraum, um auf individuelle Bedürfnisse des Kunden eingehen zu können
Produktion einer EP (Extended Play), Titel: Rosen
No full textEine Rap EP des Künstlers Lardjah. Lardjah ist als Künstler vertreten und war auch für die Produktion verantwortlich
Eine Analyse der Wirbelsäulenkrümmung während industrieller Hebetätigkeiten mit und ohne Einsatz eines passiven Exoskeletts
No full textZur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.Exoskeletons are increasingly being used to provide ergonomic support for indus- trial workers. However, studies on the effect and influence of exoskeletons on the body are rare. This thesis therefore deals with the effect of the BioniBack back exo- skeleton from the German manufacturer hTRIUS on back curvature during industrial lifting work. Specifically, the back curvature during repalletising from three different lifting heights (91 cm, 59 cm, 15 cm) was investigated using a marker-based 3D motion capture system. In order to make the experimental set-up close to everyday life and realistic, this pilot study was carried out in cooperation with the company Zehnder based in Lahr, which provided both the test subjects and the experimental set-up. Four healthy male test persons with an average age of 39.5 years (SD = 6.5), an average body weight of 72.75 kg (SD = 7.1) and an average height of 175 cm (SD = 2.6) were divided into two shifts. Measurements were taken with the test subjects before and after the shift and on two consecutive days, whereby the BionicBack was worn during work and measurement on one day and was not worn on the other. During one measurement, the subjects picked up a package weighing 21.1 kg three times from each lifting height from one pallet and placed it on another. The recorded marker points were then projected onto a sagittal plane and the angles calculated by determining the angles between the vectors spanning from vertebra point to vertebra point were unified into a ventral spine angle. The curvature of the spine at the lowest point of the lifting motion was then examined, with the total cur- vature at this position represented by the addition of three representative segmental angles. The deviation of these total curvatures in the lowest bending position from the individual neutral spine position of the subjects in standing position gives the values that can be compared between the individual experimental conditions. The results show that the BionicBack reduced deviation from the neutral spinal position up to -11.5° (median: -11.5° (SD = 5.2); mean: -8.4° (SD = 6.4)) corresponding to - 30% before the shift and up to -5.6° (median: -5.6° (SD = 3.5); mean: -4.1° (SD = 5.4)) corresponding to -17% after the shift in comparison to without BionicBack. The examination of the individual segment angles shows that the reduction of the dis- tance from the neutral position mainly takes place in the lumbar region. The com- parison of the spinal curvature before and after the shift without BionicBack shows that the spinal curvature after the shift, with the exception of the lowest lifting height, shows a greater deviation from the neutral position than before the shift. With BionicBack it is shown that, again with the exception of the lowest lifting height, the back curvature after the shift does not deviate or deviates less from the neutral po- sition than before the shift. Based on the results, it is suspected that the BionicBack may reduce the risk of injury by supporting a more neutral back posture. Furthermore, it is suspected that muscle fatigue during a work shift has an impact on back curvature during lifting that can be reduced by the BionicBack. However, the limitations of this pilot study should not be ignored. This may be due to the number of subjects, which does not allow for a statement on general validity and does not allow for an effective statistical analy- sis, or to systematic errors that may occur due to the simplification of the model and the methodology. Further research is needed to validate the results. This work should form the basis for further studies with a more developed methodology and a larger number of subjects
Korrelationen zwischen der Kinematik und den Kraftanforderungen im Gerätturnen
No full textZiel dieser Studie war es, Zusammenhänge zwischen Kinematik und Kraftanforderungen an den Ringen im Gerätturnen zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde das Schwung- und Krafthalteelement Stemme rückwärts zum Kreuzhang gewählt und analysiert.
Die Datenerhebung erfolgte im Rahmen der Europameisterschaften 2022 in München. Für die Analyse der Kraftanforderungen wurde die vertikale Kraft in den Aufhängungen der Ringe mit eindimensionalen Kraftsensoren gemessen und für die Analyse der Kinematik ein markerloses Bewegungserfassungssystem eingesetzt.
Insgesamt wurden die Ausführungen von 17 professionellen Turnern untersucht. Für die Analyse der Kinematik wurden vier Ausführungsparameter bestimmt und deren Einfluss auf den Kraftbedarf statistisch analysiert, wobei die Kraftdaten auf das jeweilige Körpergewicht normiert wurden und das relative Kraftmaximum als Bezugspunkt für den Kraftbedarf gewählt wurde. Bei den vier Ausführungsparametern handelte es sich um die maximale Körpervorneigung während des Rückschwungs vor der Stemmbewegung des Elementes, den minimalen Arm-Rumpf-Winkel (ARW) während des Elementverlaufs, die höchste Position des Körperschwerpunktes (KSP) während des Elementverlaufs und die Distanz, um die der KSP von der höchsten Position in den Kreuzhang absinkt.
Es zeigte sich eine signifikante Korrelation zwischen der höchsten KSP-Position und dem Kraftmaximum. Für die anderen Ausführungsparameter konnten Tendenzen ermittelt werden. Darüber hinaus konnten die Korrelationen der Parameter untereinander zu zwei Ausführungsvarianten zusammengefasst werden. Dabei führt eine Ausführungsvariante zu einem größeren relativen Kraftmaximum und zu größeren Abzügen als die anderen. Die biomechanische Betrachtung dieser Ausführungsvarianten ergab jedoch, dass die Ausführungsvariante mit dem größeren mittleren Kraftmaximum dennoch leichter auszuführen ist, während die andere Ausführungsvariante in der Durchführung anspruchsvoller ist und besser bewertet wird.The aim of this study was to determine possible relationships between kinematics and strength requirements on the rings in apparatus gymnastics. For this purpose, the swing to strength hold element uprise backward to cross was analysed.
The data collection took place at the 2022 European Championships in Munich. For the analysis of the force requirements, the vertical force in the suspensions of the rings was measured with one-dimensional force sensors and a markerless motion capture system was used for the analysis of the kinematics.
In total, the performances of 17 professional gymnasts were examined. For the analysis of the kinematics, four execution parameters were determined and their influence on the force requirement was statistically analysed, whereby the force data was normalised to the respective body weight and the relative force maximum was chosen as the reference point for the force requirement. The four execution parameters were the maximum body forward lean during the backswing before the uprise movement, the minimum arm-torso angle during the element run, the highest position of the center of mass (COM) during the element and the distance by which the COM descends from the highest position into the cross-slope.
There was a significant correlation between the highest position of center of mass and the maximum force. Trends could be determined for the other execution parameters. In addition, the correlations between the parameters could be combined into two execution variants. One of the two variants leads to a larger relative maximum force and to larger deductions than the others. However, the biomechanical analysis of these execution variants showed that the execution variant with the larger average force maximum is nevertheless easier to execute, while the other execution variant is more demanding in execution and is rated better
Markt- und SWOT-Analyse führender Zeitungen
No full textIm Laufe der Zeit haben sich die Anforderungen an die Zeitung verändert. Als eine der von der Digitalisierung am meisten betroffenen Industrien musste die Zeitungsbranche einen Wandel durchgehen. Dieser ist schon seit einiger Zeit im Gange, aber noch längst nicht abgeschlossen. Wie drei führende Zeitungsunternehmen diese Herausforderungen meistern, soll in dieser Arbeit untersucht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, sich mittels einer Marktanalyse zunächst einen Überblick über den Zeitungsmarkt in Deutschland und den USA zu verschaffen. Anschließend werden mit einer SWOT-Analyse die Stärken und Schwächen der gewählten Zeitungen F.A.Z., DIE WELT und New York Times herausgearbeitet. Darüber hinaus werden die jeweiligen Chancen und Risiken, die sich für die Zeitungen ergeben, näher beleuchtet. Im letzten Schritt wird die SWOT-Analyse der drei Zeitungen als Grundlage genommen, um Handlungsempfehlungen zu geben. Hierbei wird der Fokus auf die vier Strategien Ausbauen, Absichern, Aufholen und Vermeiden gelegt.
Aus der Arbeit ging hervor, dass die zunehmende Bedeutung von KI eine wichtige Rolle in der Zeitungsbranche spielen wird. Die Personalisierung wird in diesem Zusammenhang die wichtige Basis für zukünftige Produkte der Zeitungen werden. Auch die Öffnung der Unternehmenskultur wird entscheidend sein, um dem zunehmenden Fachkräftemangel entgegenzuwirken. Des Weiteren wird die Diversifizierung der Geschäftsfelder für die Zeitungen wichtig sein, um die Folgen der sinkenden Erlöse aus dem Printbereich abzuschwächen
Erstellung einer 3D gedruckten, EMG gesteuerten Greifprothese für den Neuromechanik Unterricht
No full textErstellung einer 3D gedruckten, EMG gesteuerten Greifprothese für den Neuromechanik Unterricht. Entwicklungsprojekt
Near-field wireless ultra-low-power system for passive biotelemetry applications
No full textUltra-low-power passive telemetry systems for industrial and biomedical applications have gained much popularity lately. The reduction of the power consumption and size of the circuits poses critical challenges in ultra-low-power circuit design. Biotelemetry applications like leakage detection in silicone breast implants require low-power-consuming small-size electronics. In this doctoral thesis, the design, simulation, and measurement of a programmable mixed-signal System-on-Chip (SoC) called General Application Passive Sensor Integrated Circuit (GAPSIC) is presented. Owing to the low power consumption, GAPSIC is capable of completely passive operation. Such a batteryless passive system has lower maintenance complexity and is also free from battery-related health hazards. With a die area of 4.92 mm² and a maximum analog power consumption of 592 µW, GAPSIC has one of the best figure-of-merits compared to similar state-of-the-art SoCs. Regarding possible applications, GAPSIC can read out and digitally transmit the signals of resistive sensors for pressure or temperature measurements. Additionally, GAPSIC can measure electrocardiogram (ECG) signals and conductivity.
The design of GAPSIC complies with the International Organization for Standardization (ISO) 15693/NFC (near field communication) 5 standard for radio frequency identification (RFID), corresponding to the frequency range of 13.56 MHz. A passive transponder developed with GAPSIC comprises of an external memory storage and very few other external components, like an antenna and sensors. The passive tag antenna and reader antenna use inductive coupling for communication and energy transfer, which enables passive operation. A passive tag developed with GAPSIC can communicate with an NFC compatible smart device or an ISO 15693 RFID reader. An external memory storage contains the programmable application-specific firmware.
As a mixed-signal SoC, GAPSIC includes both analog and digital circuitries. The analog block of GAPSIC includes a power management unit, an RFID/NFC communication unit, and a sensor readout unit. The digital block includes an integrated 32-bit microcontroller, developed by the Hochschule Offenburg ASIC design center, and digital peripherals. A 16-kilobyte random-access memory and a read-only 16-kilobyte memory constitute the GAPSIC internal memory. For the fabrication of GAPSIC, one poly, six-metal 0.18 µm CMOS process is used.
The design of GAPSIC includes two stages. In the first stage, a standalone RFID/NFC frontend chip with a power management unit, an RFID/NFC communication unit, a clock regenerator unit, and a field detector unit was designed. In the second stage, the rest of the functional blocks were integrated with the blocks of the RFID/NFC frontend chip for the final integration of GAPSIC. To reduce the power consumption, conventional low-power design techniques were applied extensively like multiple power supplies, and the operation of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors in the sub-threshold region of operation, as well as further innovative circuit designs.
An overvoltage protection circuit, a power rectifier, a bandgap reference circuit, and two low-dropout (LDO) voltage regulators constitute the power management unit of GAPSIC. The overvoltage protection circuit uses a novel method where three stacked transistor pairs shunt the extra voltage. In the power rectifier, four rectifier units are arranged in parallel, which is a unique approach. The four parallel rectifier units provide the optimal choice in terms of voltage drop and the area required.
The communication unit is responsible for RFID/NFC communication and incorporates demodulation and load modulation circuitry. The demodulator circuit comprises of an envelope detector, a high-pass filter, and a comparator. Following a new approach, the bandgap reference circuit itself acts as the load for the envelope detector circuit, which minimizes the circuit complexity and area. For the communication between the reader and the RFID/NFC tag, amplitude-shift keying (ASK) is used to modulate signals, where the smallest modulation index can be as low as 10%. A novel technique involving a comparator with a preset offset voltage effectively demodulates the ASK signal. With an effective die area of 0.7 mm² and power consumption of 107 µW, the standalone RFID/NFC frontend chip has the best figure-of-merits compared to the state-of-the-art frontend chips reported in the relevant literature. A passive RFID/NFC tag developed with the standalone frontend chip, as well as temperature and pressure sensors demonstrate the full passive operational capability of the frontend chip. An NFC reader device using a custom-built Android-based application software reads out the sensor data from the passive tag.
The sensor readout circuit consists of a channel selector with two differential and four single-ended inputs with a programmable-gain instrumentation amplifier. The entire sensor readout part remains deactivated when not in use. The internal memory stores the measured offset voltage of the instrumentation amplifier, where a firmware code removes the offset voltage from the measured sensor signal. A 12-bit successive approximation register (SAR) type analog-to-digital-converter (ADC) based on a charge redistribution architecture converts the measured sensor data to a digital value. The digital peripherals include a serial peripheral interface, four timers, RFID/NFC interfaces, sensor readout unit interfaces, and 12-bit SAR logic.
Two sets of studies with custom-made NFC tag antennas for biomedical applications were conducted to ascertain their compatibility with GAPSIC. The first study involved the link efficiency measurements of NFC tag antennas and an NFC reader antenna with porcine tissue. In a separate experiment, the effect of a ferrite compared to air core on the antenna-coupling factor was investigated. With the ferrite core, the coupling factor increased by four times.
Among the state-of-the-art SoCs published in recent scientific articles, GAPSIC is the only passive programmable SoC with a power management unit, an RFID/NFC communication interface, a sensor readout circuit, a 12-bit SAR ADC, and an integrated 32-bit microcontroller. This doctoral research includes the preliminary study of three passive RFID tags designed with discrete components for biomedical and industrial applications like measurements of temperature, pH, conductivity, and oxygen concentration, along with leakage detection in silicone breast implants. Besides its small size and low power consumption, GAPSIC is suitable for each of the biomedical and industrial applications mentioned above due to the integrated high-performance microcontroller, the robust programmable instrumentation amplifier, and the 12-bit analog-to-digital converter. Furthermore, the simulation and measurement data show that GAPSIC is well suited for the design of a passive tag to monitor arterial blood pressure in patients experiencing Peripheral Artery Disease (PAD), which is proposed in this doctoral thesis as an exemplary application of the developed system.Drahtlose passive Telemetrie-Systeme mit niedrigem Energiebedarf erfreuen sich in industriellen und biomedizinischen Anwendungen wachsender Beliebtheit. Die Reduktion von Stromverbrauch und Größe der Schaltungen stellt eine kritische Herausforderung beim Schaltungsdesign dar. Zum Beispiel erfordern Anwendungen wie die Leckagedetektion in Silikonbrustimplantaten eine Reduzierung des Stromverbrauchs und eine Miniaturisierung der Elektronik. In dieser Dissertation wird der Entwurf, die Simulation und die Vermessung eines programmierbaren Mixed-Signal-System-on-Chip (SoC) vorgestellt, der General Application Passive Sensor Integrated Circuit (GAPSIC) genannt wird. Wegen der geringen Leistungsaufnahme ist GAPSIC zum vollständig passiven Betrieb fähig. Ein batterieloses Biotelemetrie-System ist wartungsarm, und außerdem frei von batteriebedingten Gesundheitsrisiken. Mit einer Gesamtfläche von 4,92 mm² und einer maximalen analogen Leistungsaufnahme von 592 µW ist GAPSIC im Vergleich zum Stand der Technik eines der besten SoCs bezüglich dieser Leistungsmerkmale. Beispielhafte praktische Anwendungen des GAPSIC sind das Auslesen und die digitale Übertragung der Signale von resistiven Sensoren zur Druck- oder Temperaturmessung, sowie von Elektrokardiogramm (EKG) und Leitfähigkeitsmessungen.
Das GAPSIC-Design ist kompatibel mit der Norm 15693/NFC-5 für RFID (Radio-Frequency Identification) der ISO (International Organisation for Standardisation) entsprechend dem Frequenzbereich von 13,56 MHz. Ein passiver Transponder, der mit GAPSIC entwickelt wurde, enthält einen externen Speicher und eine geringe Anzahl von externen Komponenten wie eine Antenne und Sensoren. Mit Hilfe der induktiven Kopplung zwischen der Transponder-Antenne und der Antenne am Lesegerät wird neben digitalen Daten auch die für die passive Funktionsweise benötigte Energie übertragen. Ein nach ISO 15963 aufgebautes Lesegerät oder NFC-Gerät wie beispielsweise ein Smartphone können zur Kommunikation mit GAPSIC verwendet werden. Der externe Speicher enthält die programmierbare anwendungsspezifische Firmware.
Als Mixed-Signal-SoC beinhaltet GAPSIC sowohl analoge als auch digitale Schaltungen. Der analoge Teil von GAPSIC umfasst eine Energiemanagementeinheit, eine RFID/NFCKommunikationseinheit und eine Sensor-Auslese-Einheit. Der digitale Teil besteht aus einem integrierten 32-Bit Mikrocontroller, der vom ASIC Design Center der Hochschule Offenburg entwickelt wurde, sowie digitalen Peripheriegeräten. Ein 16-Kilobyte-Arbeitsspeicher und ein schreibgeschützter 16-Kilobyte Speicher bilden den internen Speicher des GAPSIC. Zur Herstellung des GAPSIC wird der 1-Poly, 6-Metall 0,18 µm CMOS-Prozess verwendet.
Das Design von GAPSIC umfasst zwei Entwicklungsschritte. Zuerst wurde ein eigenständiger RFID/NFC-Frontend-Chip mit der Energiemanagementeinheit, der RFID/NFC-Kommunikationseinheit, einem Taktgenerator und einem Felddetektor entwickelt. Im zweiten Schritt wurden die restlichen Funktionsblöcke mit den Blöcken des RFID/NFC-Frontend-Chips final integriert. Zur Reduktion der benötigten Leistung wurden herkömmliche Low-Power-Design-Prinzipien in großem Umfang angewandt, wie die mehrfache Ausführung von Stromversorgungen, der Betrieb der Komplementären-Metalloxid-Halbleiter(CMOS)-Transistoren im Unterschwellenbereich, sowie weitere innovative Schaltungsdesigns.
Eine Überspannungsschutzschaltung, ein Gleichrichter, eine Bandabstandsreferenz-Schaltung und zwei Low-Dropout-Regler (LDO) bilden die Energiemanagementeinheit von GAPSIC. Die Überspannungsschutzschaltung verwendet eine neuartige Methode, bei der drei gestapelte Transistorpaare die überschüssige Spannung ableiten. Im Gleichrichter werden vier Gleichrichtereinheiten parallel angeordnet, wodurch der Spannungsabfall sowie die benötigte Fläche optimiert werden. Dies stellt einen neuartigen Ansatz dar.
Die Kommunikationseinheit ist für die RFID/NFC-Kommunikation verantwortlich und enthält Demodulations- und Lastmodulationsschaltkreise. Die Demodulator-Schaltung verwendet einen Hüllkurvendetektor, ein Hochpassfilter und einen Komparator. Die Bandabstandsreferenz-Schaltung wird als Last für die Hüllkurvendetektorschaltung eingesetzt. Durch diesen innovativen Lösungsansatz können Komplexität und Fläche der Hüllkurvendetektorschaltung minimiert werden. Als Modulationsverfahren für die Kommunikation zwischen dem Lesegerät und dem RFID/NFC-Tag wird eine Amplitudenumtastung (ASK) verwendet, wobei der kleinste Modulationsindex 10% betragen kann. Eine neuartige Methode stellt dabei der Einsatz eines Komparators mit voreingestellter Offsetspannung für die effektive Demodulation des ASK-Signals dar. Mit einer effektiven Fläche von 0,7 mm² und einer Leistung von 107 µW hat der eigenständige RFID/NFC-Frontend-Chip im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik die besten Werte. Ein passives RFID/NFC-Tag, das mit dem eigenständigen Frontend-Chip, Temperatur- und Drucksensoren entwickelt wurde, demonstriert die volle passive Betriebsfähigkeit des Frontend-Chips. Ein NFC-Lesegerät liest die Sensordaten aus dem passiven Tag aus, wobei eine speziell programmierte Android-basierte Anwendungssoftware verwendet wird.
Die Sensorausleseschaltung besteht aus einem Kanalwähler mit zwei differentiellen und vier Single-Ended-Eingängen mit einem programmierbaren Instrumentenverstärker. Der gesamte Sensorausleseteil bleibt bei Nichtgebrauch deaktiviert. Der interne Speicher speichert die gemessene Offsetspannung des Instrumentenverstärkers, wobei ein Firmware-Code die Offsetspannung aus dem gemessenen Sensorsignal entfernt. Ein 12-Bit Analog-Digital-Umsetzer (ADC), der nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation (SAR) auf Basis der Ladungsverteilung Architektur arbeitet, setzt die gemessenen Sensordaten in einen digitalen Wert um. Die digitalen Peripheriegeräte umfassen eine serielle Peripherieschnittstelle, vier Timer, RFID-/NFC- Schnittstellen, 12-bit SAR-Logik, und die Sensorausleseschaltungs-Logik.
Es wurden zwei Studien mit speziell angefertigten NFC-Tag-Antennen für biomedizinische Anwendungen durchgeführt, um deren Kompatibilität mit GAPSIC zu prüfen. Die erste Studie umfasste die Übertragungseffizienzmessungen der NFC-Tag-Antennen und einer NFC-Leseantenne mit porkinem Gewebe als Übertragungsmedium. In einem separaten Experiment wurde die Wirkung eines Ferritkerns im Vergleich zu einem Luftkern auf den Antennenkopplungsfaktor untersucht. Mit dem Ferritkern erhöhte sich der Kopplungsfaktor um das Vierfache.
Entsprechend den jüngsten wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu SoCs ist GAPSIC der einzige passive programmierbare SoC mit einer Energiemanagementeinheit, einer RFID/NFC-Kommunikationseinheit, einer Sensorausleseschaltung, einem 12-Bit-SAR-ADC und einem integrierten 32-Bit-Mikrocontroller. Diese Doktorarbeit umfasst die Vorstudien von drei passiven RFID-Tags, die mit diskreten Komponenten für biomedizinische und industrielle Anwendungen wie die Messung von Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffkonzentration oder die Überprüfung der Dichtigkeit von Brustimplantaten aus Silikon. Neben der geringen Größe und dem geringen Stromverbrauch eignet sich GAPSIC aufgrund des integrierten Hochleistungsmikrocontrollers, der robusten programmierbaren Instrumentenverstärker und des 12-Bit-Analog-Digital-Wandlers für alle oben genannten biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Mithilfe von Simulations- und Messdaten konnte gezeigt werden, dass GAPSIC sehr gut für den Entwurf eines passiven Tags zur Messung des arteriellen Blutdrucks bei Patienten mit peripherer Arterienerkrankung (PAD) geeignet ist, was in dieser Doktorarbeit als exemplarische Anwendung des entwickelten Systems vorgeschlagen wird
A Temperature-Dependent Viscoplasticity Model for the Hot Work Steel X38CrMoV5-3, Including Thermal and Cyclic Softening under Thermomechanical Fatigue Loading
Get PDFIn this paper, a temperature-dependent viscoplasticity model is presented that describes thermal and cyclic softening of the hot work steel X38CrMoV5-3 under thermomechanical fatigue loading. The model describes the softening state of the material by evolution equations, the material properties of which can be determined on the basis of a defined experimental program. A kinetic model is employed to capture the effect of coarsening carbides and a new isotropic cyclic softening model is developed that takes history effects during thermomechanical loadings into account. The temperature-dependent material properties of the viscoplasticity model are determined on the basis of experimental data measured in isothermal and thermomechanical fatigue tests for the material X38CrMoV5-3 in the temperature range between 20 and 650 ∘C. The comparison of the model and an existing model for isotropic softening shows an improved description of the softening behavior under thermomechanical fatigue loading. A good overall description of the experimental data is possible with the presented viscoplasticity model, so that it is suited for the assessment of operating loads of hot forging tools
Simulation of Hot-Forging Processes with a Temperature−Dependent Viscoplasticity Model
No full textHot forging dies are subjected to high cyclic thermo-mechanical loads. In critical areas, the occurring stresses can exceed the material’s yield limit. Additionally, loading at high temperatures leads to thermal softening of the used martensitic materials. These effects can result in an early crack initiation and unexpected failure of the dies, usually described as thermo-mechanical fatigue (TMF). In previous works, a temperature-dependent cyclic plasticity model for the martensitic hot forging tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) was developed and implemented in the finite element (FE)-software Abaqus. However, in the forging industry, application-specific software is usually used to ensure cost-efficient numerical process design. Therefore, a new implementation for the FE-software Simufact Forming 16.0 is presented in this work. The results are compared and validated with the original implementation by means of a numerical compression test and a cyclic simulation is calculated with Simufact Forming