Piezoelectric Energy Harvesters (PEHs) are typically employed to provide additional source of energy for a sensing system. However, studies show that a PEH can be also used as a sensor to acquire information about the source of vibration by analysing the produced voltage signal. This opens a possibility to create Simultaneous Energy Harvesting and Sensing (SEHS) system, where a single piece of hardware, a PEH, acts as both, a harvester and as a sensor. This raises a question if it is possible to design a bi-functional PEH device with optimal harvesting and sensing performance. In this work, we propose a bi-objective PEH design optimisation framework and show that there is a trade-off between energy harvesting efficiency and sensing accuracy within a PEH design space. The proposed framework is based on an extensive vibration (strain and acceleration) dataset collected from a real-world operational cable-stayed bridge in New South Wales, Australia. The bridge acceleration data is used as an input for a PEH numerical model to simulate a voltage signal and estimate the amount of produced energy. The numerical PEH model is based on the Kirchhoff-Love plate and isogeometric analysis. For sensing, convolutional neural network AlexNet is trained to identify traffic speed labels from voltage CWT (Continuous Wavelet Transform) images. In order to improve computational efficiency of the approach, a kriging metamodel is built and genetic algorithm is used as an optimisation method. The results are presented in the form of Pareto fronts in three design spaces.


翻译:平电能采集器(PEHs)通常用于为感测系统提供额外的能源来源。然而,研究表明,PEH也可以作为一种传感器,通过分析产生的电压信号获取振动源的信息。这为创建同步能源采集和感测系统提供了可能性,在该系统中,单个硬件(PEH)作为收割器和传感器同时运行。这提出了一个问题:如果有可能设计双轨PEH设备,具有最佳收割和感测性能。在这项工作中,我们提议双目标的PEH设计优化PEH设计优化框架,并显示在PEH设计空间的节能效率与感测精度之间存在一种权衡。拟议框架基于从澳大利亚新南威尔士一个现实世界操作的电缆桥收集的广泛振动(压力和加速)数据集。桥加速数据是用于模拟电流信号和估计所生产的能源量的PEEEH值数字。在CEWIVAL上经过培训的变压速度模型是用于SVILVS-SL AS AS ASVIAL IM AS ASVIL ASV ASV ASVAL ASVIOL ASVAL ASV IS ASVAL ASVAL ASU ASU ASVAL ASUAL ASUAL ASU ASUAL ASUAL ASU ASU ASY ASY ASU ASY ASU ASY ASU ASY ASY ASUAL ASV ASU ASU ASY ASY IS ASVAL ASY ASY ASY ASY ASY ASY ASY ASY ASOL ASOL ASOL ASY ASOL ASY ASOL IS ASOL ASOL ASAL ASOL ASAL ASY ASAL ASAL ASOL ASU ASUAL ASUAL ASAL ASAL ASAL ASAL ASAL ASAL ASAL ASAL AS AS AS AS AS AS AS ASAL ASAL ASAL ASAL ASAL ASAL ASU ASU MA AS

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