CN106500826A - 横梁式微动传感器和生理信号采集垫 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种横梁式微动传感器和生理信号采集垫，其中横梁式微动传感器包括拉伸传感器、桡性横梁、上压板和柔性支撑垫；拉伸传感器布设于所述桡性横梁，当桡性横梁发生形变时，桡性横梁拉扯所述拉伸传感器发生形变而产生电信号；上压板上设置所述桡性横梁的一侧，且朝向所述桡性横梁的一侧设置有至少一个突出的支点，当上压板受力压向所述桡性横梁时，支点挤压所述桡性横梁发生形变；柔性支撑垫设置于所述桡性横梁远离所述上压板的一侧，且贴附支撑所述桡性横梁。本发明的横梁式微动传感器，当压力小时，由柔性支撑垫形成的支点等效支撑距离长，灵敏度较高，当压力大时，由柔性支撑垫形成的支点等效支撑距离变短，灵敏度下降，测量范围变宽。
Description
技术领域
本发明涉及到微动信号采集领域，特别是涉及到一种横梁式微动传感器和生理信号采集垫。
背景技术
现有技术的悬臂梁式微动传感器一种可以采集微动信号的传感器，其结构包括桡性横梁、压电薄膜和支架，桡性横梁的一端固定在支架上，另一端悬空，支架上还设置一支点，该支点接触桡性横梁，压电薄膜紧贴于桡性横梁朝向支点的一侧。当支点受力时，会压迫桡性横梁，桡性横梁会向支点相反的方向弯曲，从而会拉扯压电薄膜，压电薄膜产生电信号。比较而言，悬臂梁式微动传感器的桡性横梁弯曲时，其主要弯折处靠近于桡性横梁的根部，即桡性横梁的固定端，所以压电薄膜拉伸形变不均匀，所以存在信号失真的情况；而且测量灵敏度和测量范围基本固定。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种测量灵敏度和测量范围随着压力的变化而随动的横梁式微动信号传感器和生理信号采集垫。
为了实现上述发明目的，本发明首先提出一种横梁式微动传感器，其特征在于，包括拉伸传感器、桡性横梁、上压板和柔性支撑垫；
所述拉伸传感器平行布设于所述桡性横梁，当桡性横梁发生形变时，桡性横梁拉扯所述拉伸传感器发生形变而产生随压力变化的信号；
所述上压板上设置所述桡性横梁的一侧，且朝向所述桡性横梁的一侧设置有至少一个突出的支点，当上压板受力压向所述桡性横梁时，所述支点挤压所述桡性横梁发生形变；
所述柔性支撑垫设置于所述桡性横梁远离所述上压板的一侧，且贴附支撑所述桡性横梁。
进一步地，所述横梁式微动传感器还包括下压板，所述下压板设置于所述柔性支撑垫远离所述上压板的一侧，且支撑所述柔性支撑垫固定。
进一步地，所述上压板的第一边沿突出于所述柔性支撑垫的侧壁，所述下压板的第二边沿突出于所述柔性支撑垫的侧壁；
所述第一边沿和第二边沿之间设置柔性支撑体；所述柔性支撑体均匀围绕所述柔性支撑垫设置。
进一步地，所述横梁式微动传感器还包括下压板还包括信号处理电路，该信号处理电路接收并处理所述拉伸传感器产生的电信号。
进一步地，所述信号处理电路包括射频发射电路，该射频发射电路与外部设备无线通信连接。
进一步地，所述横梁式微动传感器还包括下压板，还包括PCB板，该PCB板上集成所述信号处理电路。
进一步地，所述PCB板固定设置于所述下压板。
进一步地，所述拉伸传感器包括压电薄膜传感器、印刷在桡性横梁上的电容或印刷在桡性横梁上的电感。
本发明还提供一种生理信号采集垫，包括垫体和设置于垫体内的如上述任一项所述的横梁式微动传感器。
本发明的横梁式微动传感器和生理信号采集垫，充分利用柔性支撑垫的性质，当支点压迫于桡性横梁后，桡性横梁会沿着受力点向柔性支撑体方向形变，而柔性垫体则会支撑桡性横梁，柔性支撑垫支撑的桡性横梁具有随压力变化而改变的等效支撑距离，当压力小时，等效支撑距离长，灵敏度更高，当压力大时，等效支撑距离变短，灵敏度下降，测量范围变宽；柔性支撑垫紧贴桡性横梁，会吸收桡性横梁的自身震动，进而大大降低传感器自身的噪音，从而获得更高的信噪比。
附图说明
图1为本发明一实施例的横梁式微动传感器的结构示意图；
图2为本发明一实施例的横梁式微动传感器工作过程示意图；
图3为本发明横梁式微动传感器与现有技术的固定等效支撑距离的微动传感器的压力-信号的变化示意图；
图4为本发明一实施例的横梁式微动传感器的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明实施例提供一种横梁式微动传感器，包括拉伸传感器40、桡性横梁30、上压板10和柔性支撑垫21；所述拉伸传感器40水平布设于所述桡性横梁30，当桡性横梁30发生形变时，桡性横梁30拉扯所述拉伸传感器40发生形变而产生随压力变化的信号；所述上压板10上设置所述桡性横梁30的一侧，且朝向所述桡性横梁30的一侧设置有至少一个突出的支点11，当上压板10受力压向所述桡性横梁30时，所述支点11挤压所述桡性横梁30发生形变；所述柔性支撑垫21设置于所述桡性横梁30远离所述上压板10的一侧，且贴附支撑所述桡性横梁30。
上述桡性横梁30是一种在受压变形后，当压力减小或撤销时，能够快速回复原状的横梁，本实施例的桡性横梁30可以为长条装置的横梁，也可以为板状结构的横梁。在一具体实施例中，桡性横梁30一般由环氧树脂材料、不锈钢材料等柔韧性良好的材料制成。
上述拉伸传感器40一般压电薄膜、印刷在桡性横梁30上的电容或印刷在桡性横梁30上的电感，当桡性横梁30发生形变时，拉伸传感器40被拉扯变形，进而产生电信号。在一具体实施例中，拉升传感器为压电薄膜，其设置于桡性横梁30外表面或桡性横梁30内部平行于桡性横梁30底面的方向，桡性横梁30弯曲会导致压电薄膜受到相应的拉伸，从而实现横梁变形的传感。
上述柔性支撑垫21可以为柔性橡胶、硅胶等在受力变形后，可以良好的回复原形的材料制成的垫子。
上述上压板10可以是平板或其他结构，只要其能够受力，并将力通过支点11传递到桡性横梁30上即可。
本实施例中，参照图2，为上述横梁式微动传感器的工作过程图，其中：F1<F2，H1<H2，L1>L2。在A状态时，无压力作用在横梁式微动传感器上；在B状态时，压力F1作用在横梁式微动传感器，此时压力较小，可以看到柔性支撑垫21的下压形变高度H1较小，但是其等效支撑距离L1较长，此时，上述横梁式微动传感器灵敏度相对较高；在C状态时，压力F2相对于F1变大，但是其等效支撑距离L2相对于L1变短，此时，上述横梁式微动传感器灵敏度相对降低，但是测量范围变宽。参照图3，为上述横梁式微动传感器(弧线)以及现有技术的固定支撑等效支撑距离的微动传感器(虚线)的随压力-信号的变化示意图。可以看到，固定支撑等效支撑距离的微动传感器，其信号与压力成直线形的线性关系，即灵敏度和测量宽度固定，而本实施例的上述横梁式微动传感器，其信号与压力成弧线形的线性关系，但是在压力较小时，灵敏度较高，随着压力的变大，灵敏度降低，但是测量宽度变大。总之，柔性支撑垫21支撑的桡性横梁30具有随压力变化而改变的等效支撑距离，当压力小时，等效支撑距离长，灵敏度更高，当压力大时，等效支撑距离变短，灵敏度下降，测量范围变宽。而且柔性支撑垫21紧贴桡性横梁30，会吸收桡性横梁30的自身震动，进而大大降低传感器自身的噪音，从而获得更高的信噪比。
参照图1，上述横梁式微动传感器还包括下压板20，所述下压板20设置于所述柔性支撑垫21远离所述上压板10的一侧，且支撑所述柔性支撑垫21固定。下压板20的设置，主要用于支撑柔性支撑垫21，使其有一个良好的支撑面。本实施例中，上述下压板20一般为平面板。
参照图4，本实施例中，上述上压板10的第一边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁，所述下压板20的第二边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁；所述第一边沿和第二边沿之间设置柔性支撑体60；所述柔性支撑体60均匀围绕所述柔性支撑垫21设置。上述柔性支撑体60可以为柔性橡胶、硅胶等在受力变形后，可以良好的回复原形的材料。本实施例中，上述的柔性支撑体60是一条长条状结构的柔性材料，然后蜷绕成一周或3/4周等，设置于上压板10与下压板20的第一边沿和第二边沿之间，只要能够均匀承受上压板10与下压板20之间相对移动而产生的力即可。在另一实施例中，上述上压板10与下压板20的第一边沿和第二边沿之间设置至少两个柔性支撑体60，且均匀环绕桡性横梁30设置。本实施例中，柔性支撑体60可以是多个支撑块均匀围绕一周后，设置于第一边沿和第二边沿之间，只要能够均匀承受上压板10和下压板20之间相对移动而产生的力即可。
本实施例中，上述横梁式微动传感器还包括信号处理电路，该信号处理电路接收并处理所述拉伸传感器40产生的电信号。上述信号处理电路，一般包括信号放大电路、滤波电路、压缩电路、模数转换电路、射频发射电路等，用于根据需要对拉伸传感器40产生的电信号进行处理。比如，首先将电信号通过信号放大电路进行放大处理，然后通过滤波电路杂波过滤，在后分别通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，最后通过压缩电路和射频发射电路将数字信号压缩并发射给控制处理器等设备，而在另一实施例中，通过信号线连控制处理器等设备，则无需设置射频发射电路。在其它实施例中，可以根据实际的使用情况设置对应的信号处理电路。
参照图4，本实施例中，上述横梁式微动传感器，还包括PCB板50，该PCB板50上集成所述信号处理电路。将PCB板50固定设置于下压板20，拉伸传感器40无需通过导线连接外部的电路板，使用方便。在一具体实施例中，PCB板50、柔性支撑垫21和桡性横梁30通过至少两个铆钉固定，使三者之间相互固定，使桡性横梁30可稳定地接收上压板10上的支点11压迫而形变，进而产生相对稳定的电信号。
本实施例中，上述支点11可以包括三个及以上，各所述支点11未在同一直线上，即多个支点11围成一个非直线的图形，如三个支点围城一个三角形等。在一具体实施例中，上述桡性横梁30为圆形板、三角形板或多边形板等，比如多边形为正五边形时，可以将支点11设置五个，分别设置于正五边形的五个顶点位置等。
在一具体实施例中，下压板20的顶面上固定设置PCB板50，PCB板50上集成有信号放大电路、滤波电路、压缩电路、模数转换电路、射频发射电路等信号处理电路。PCB板50的顶面上设置柔性支撑垫21，柔性支撑垫21的顶面上设置桡性横梁30。其中PCB板50、柔性支撑垫21和桡性横梁30三者之间通过多个铆钉固定在一起；桡性横梁30的下底面设置压电薄膜，压电薄膜电性连接上述PCB板50上的信号处理电路。在桡性横梁30顶面上设置有上压板10，上压板10的底面上设置有突起的支点11，支点11与桡性横梁30接触。上压板10的第一边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁，所述下压板20的第二边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁；所述第一边沿和第二边沿之间设置柔性支撑体60；所述柔性支撑体60均匀围绕所述柔性支撑垫21设置。当有力作用于上压板10或下压板20，使上压板10和下压板20相对运动时，上压板10上的支点11压迫桡性横梁30发生形变，桡性横梁30拉扯压电薄膜形变产生电信号，该电信号既可以反映出作用于上压板10或下压板20力的情况，如微动情况等，该电信号经过上述信号处理电路处理后，可以通过无线射频电路的无线发射给外部的处理器等，外部处理器可以为电脑、手机等智能电子设备。
本发明实施例的横梁式微动传感器，充分利用柔性支撑垫21的性质，当支点11压迫于桡性横梁30后，桡性横梁30会沿着受力点向柔性支撑体60方向形变，而柔性垫体则会支撑桡性横梁30，柔性支撑垫21支撑的桡性横梁30具有随压力变化而改变的等效支撑距离，当压力小时，等效支撑距离长，灵敏度更高，当压力大时，等效支撑距离变短，灵敏度下降，测量范围变宽；柔性支撑垫21紧贴桡性横梁30，会吸收桡性横梁30的自身震动，进而大大降低传感器自身的噪音，从而获得更高的信噪比。
参照图1，本发明实施还提供一种生理信号采集垫，包括垫体和设置于垫体内的横梁式微动传感器。上述横梁式微动传感器，包括拉伸传感器40、桡性横梁30、上压板10和柔性支撑垫21；所述拉伸传感器40水平布设于所述桡性横梁30，当桡性横梁30发生形变时，桡性横梁30拉扯所述拉伸传感器40发生形变而产生电信号；所述上压板10上设置所述桡性横梁30的一侧，且朝向所述桡性横梁30的一侧设置有至少一个突出的支点11，当上压板10受力压向所述桡性横梁30时，所述支点11挤压所述桡性横梁30发生形变；所述柔性支撑垫21设置于所述桡性横梁30远离所述上压板10的一侧，且贴附支撑所述桡性横梁30。
上述垫体可以为床垫、座椅垫等，在其内部设置上述横梁式微动传感器，既可以采集垫体上的人体的微动信号。
上述桡性横梁30是一种在受压变形后，当压力减小或撤销时，能够快速回复原状的横梁，本实施例的桡性横梁30可以为长条装置的横梁，也可以为板状结构的横梁。在一具体实施例中，桡性横梁30一般由环氧树脂材料、不锈钢材料等柔韧性良好的材料制成。
上述拉伸传感器40一般压电薄膜、印刷在桡性横梁30上的电容或印刷在桡性横梁30上的电感，当桡性横梁30发生形变时，拉伸传感器40被拉扯变形，进而产生电信号。在一具体实施例中，拉升传感器为压电薄膜，其设置于桡性横梁30外表面或桡性横梁30内部平行于桡性横梁30底面的方向，桡性横梁30弯曲会导致压电薄膜受到相应的拉伸，从而实现横梁变形的传感。
上述柔性支撑垫21可以为柔性橡胶、硅胶等在受力变形后，可以良好的回复原形的材料制成的垫子。
上述上压板10可以是平板或其他结构，只要其能够受力，并将力通过支点11传递到桡性横梁30上即可。
本实施例中，参照图2，为上述横梁式微动传感器的工作过程图，其中：F1<F2，H1<H2，L1>L2。在A状态时，无压力作用在横梁式微动传感器上；在B状态时，压力F1作用在横梁式微动传感器，此时压力较小，可以看到柔性支撑垫21的下压形变高度H1较小，但是其等效支撑距离L1较长，此时，上述横梁式微动传感器灵敏度相对较高；在C状态时，压力F2相对于F1变大，但是其等效支撑距离L2相对于L1变短，此时，上述横梁式微动传感器灵敏度相对降低，但是测量范围变宽。参照图3，为上述横梁式微动传感器(弧线)以及现有技术的固定支撑等效支撑距离的微动传感器(虚线)的随压力-信号的变化示意图。可以看到，固定支撑等效支撑距离的微动传感器，其信号与压力成直线形的线性关系，即灵敏度和测量宽度固定，而本实施例的上述横梁式微动传感器，其信号与压力成弧线形的线性关系，但是在压力较小时，灵敏度较高，随着压力的变大，灵敏度降低，但是测量宽度变大。总之，柔性支撑垫21支撑的桡性横梁30具有随压力变化而改变的等效支撑距离，当压力小时，等效支撑距离长，灵敏度更高，当压力大时，等效支撑距离变短，灵敏度下降，测量范围变宽。而且柔性支撑垫21紧贴桡性横梁30，会吸收桡性横梁30的自身震动，进而大大降低传感器自身的噪音，从而获得更高的信噪比。
参照图1，上述横梁式微动传感器还包括下压板20，所述下压板20设置于所述柔性支撑垫21远离所述上压板10的一侧，且支撑所述柔性支撑垫21固定。下压板20的设置，主要用于支撑柔性支撑垫21，使其有一个两个的支撑面。本实施例中，上述下压板20一般为平面板。
参照图4，本实施例中，上述上压板10的第一边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁，所述下压板20的第二边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁；所述第一边沿和第二边沿之间设置柔性支撑体60；所述柔性支撑体60均匀围绕所述柔性支撑垫21设置。上述柔性支撑体60可以为柔性橡胶、硅胶等在受力变形后，可以良好的回复原形的材料。本实施例中，上述的柔性支撑体60是一条长条状结构的柔性材料，然后蜷绕成一周或3/4周等，设置于上压板10与下压板20的第一边沿和第二边沿之间，只要能够均匀承受上压板10与下压板20之间相对移动而产生的力即可。在另一实施例中，上述上压板10与下压板20的第一边沿和第二边沿之间设置至少两个柔性支撑体60，且均匀环绕桡性横梁30设置。本实施例中，柔性支撑体60可以是多个支撑块均匀围绕一周后，设置于第一边沿和第二边沿之间，只要能够均匀承受上压板10和下压板20之间相对移动而产生的力即可。
本实施例中，上述横梁式微动传感器还包括信号处理电路，该信号处理电路接收并处理所述拉伸传感器40产生的电信号。上述信号处理电路，一般包括信号放大电路、滤波电路、压缩电路、模数转换电路、射频发射电路等，用于根据需要对拉伸传感器40产生的电信号进行处理。比如，首先将电信号通过信号放大电路进行放大处理，然后通过滤波电路杂波过滤，在后分别通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，最后通过压缩电路和射频发射电路将数字信号压缩并发射给控制处理器等设备，而在另一实施例中，通过信号线连控制处理器等设备，则无需设置射频发射电路。在其它实施例中，可以根据实际的使用情况设置对应的信号处理电路。
参照图4，本实施例中，上述横梁式微动传感器，还包括PCB板50，该PCB板50上集成所述信号处理电路。将PCB板50固定设置于下压板20，拉伸传感器40无需通过导线连接外部的电路板，使用方便。在一具体实施例中，PCB板50、柔性支撑垫21和桡性横梁30通过至少两个铆钉固定，使三者之间相互固定，使桡性横梁30可稳定地接收上压板10上的支点11压迫而形变，进而产生相对稳定的电信号。
本实施例中，上述支点11可以包括三个及以上，各所述支点11未在同一直线上，即多个支点11围成一个非直线的图形，如三个支点围城一个三角形等。在一具体实施例中，上述桡性横梁30为圆形板、三角形板或多边形板等，比如多边形为正五边形时，可以将支点11设置五个，分别设置于正五边形的五个顶点位置等。
在一具体实施例中，下压板20的顶面上固定设置PCB板50，PCB板50上集成有信号放大电路、滤波电路、压缩电路、模数转换电路、射频发射电路等信号处理电路。PCB板50的顶面上设置柔性支撑垫21，柔性支撑垫21的顶面上设置桡性横梁30。其中PCB板50、柔性支撑垫21和桡性横梁30三者之间通过多个铆钉固定在一起；桡性横梁30的下底面设置压电薄膜，压电薄膜电性连接上述PCB板50上的信号处理电路。在桡性横梁30顶面上设置有上压板10，上压板10的底面上设置有突起的支点11，支点11与桡性横梁30接触。上压板10的第一边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁，所述下压板20的第二边沿突出于所述柔性支撑垫21的侧壁；所述第一边沿和第二边沿之间设置柔性支撑体60；所述柔性支撑体60均匀围绕所述柔性支撑垫21设置。当有力作用于上压板10或下压板20，使上压板10和下压板20相对运动时，上压板10上的支点11压迫桡性横梁30发生形变，桡性横梁30拉扯压电薄膜形变产生电信号，该电信号既可以反映出作用于上压板10或下压板20力的情况，如微动情况等，该电信号经过上述信号处理电路处理后，可以通过无线射频电路的无线发射给外部的处理器等，外部处理器可以为电脑、手机等智能电子设备。
本发明实施例的生理新型号采集垫中设置横梁式微动传感器，充分利用柔性支撑垫21的性质，当支点11压迫于桡性横梁30后，桡性横梁30会沿着受力点向柔性支撑体60方向形变，而柔性垫体则会支撑桡性横梁30，柔性支撑垫21支撑的桡性横梁30具有随压力变化而改变的等效支撑距离，当压力小时，等效支撑距离长，灵敏度更高，当压力大时，等效支撑距离变短，灵敏度下降，测量范围变宽；柔性支撑垫21紧贴桡性横梁30，会吸收桡性横梁30的自身震动，进而大大降低传感器自身的噪音，从而获得更高的信噪比。从而使生理信号采集垫的采集灵敏度、采集范围等根据压力变化而变化，提高信号采集的准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种横梁式微动传感器，其特征在于，包括拉伸传感器、桡性横梁、上压板和柔性支撑垫；
所述拉伸传感器平行布设于所述桡性横梁，当桡性横梁发生形变时，桡性横梁拉扯所述拉伸传感器发生形变而产生随压力变化的信号；
所述上压板上设置所述桡性横梁的一侧，且朝向所述桡性横梁的一侧设置有至少一个突出的支点，当上压板受力压向所述桡性横梁时，所述支点挤压所述桡性横梁发生形变；
所述柔性支撑垫设置于所述桡性横梁远离所述上压板的一侧，且贴附支撑所述桡性横梁。
2.根据权利要求1所述的横梁式微动传感器，其特征在于，还包括下压板，所述下压板设置于所述柔性支撑垫远离所述上压板的一侧，且支撑所述柔性支撑垫固定。
3.根据权利要求2所述的横梁式微动传感器，其特征在于，所述上压板的第一边沿突出于所述柔性支撑垫的侧壁，所述下压板的第二边沿突出于所述柔性支撑垫的侧壁；
所述第一边沿和第二边沿之间设置柔性支撑体；所述柔性支撑体均匀围绕所述柔性支撑垫设置。
4.根据权利要求2所述的横梁式微动传感器，其特征在于，还包括信号处理电路，该信号处理电路接收并处理所述拉伸传感器产生的电信号。
5.根据权利要求4所述的横梁式微动传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括射频发射电路，该射频发射电路与外部设备无线通信连接。
6.根据权利要求4所述的横梁式微动传感器，其特征在于，还包括PCB板，该PCB板上集成所述信号处理电路。
7.根据权利要求6所述的横梁式微动传感器，其特征在于，所述PCB板固定设置于所述下压板。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的横梁式微动传感器，其特征在于，所述拉伸传感器包括压电薄膜传感器、印刷在桡性横梁上的电容或印刷在桡性横梁上的电感。
9.一种生理信号采集垫，其特征在于，包括垫体和设置于垫体内的如权利要求1-8中任一项所述的横梁式微动传感器。
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