CN106725328A - 基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置及监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置及监测系统，装置包括：传力柱，与用户的皮肤连接，用于传递用户的心跳压力；贴片式声表面波传感器，与传力柱连接，用于将用户的心跳压力转换为电信号，同时实现电信号和声表面波信号的互换；传输天线模块，与贴片式声表面波传感器连接，用于接收外界的激励电信号并传递至贴片式声表面波传感器，同时无线传输贴片式声表面波传感器传递的电信号；系统包括：睡眠质量数据采集装置和与睡眠质量数据采集装置进行双向数据传输的控制终端；控制终端还包括信号交互模块和睡眠质量分析模块。与现有技术相比，本发明具有安全系数高、监测不中断、抗干扰能力强、监测灵敏度高以及性能稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波领域，尤其是涉及一种基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置及监测系统。
背景技术
随着科学技术的发展，现代科技逐渐融入人们的日常生活，实时监测人体的心跳对人们对自身健康成都的掌握有着很大帮助，尤其是老年人群。监测心跳压力及频率后，通过分析参数与睡眠质量的关系，可进而得到用户在使用时间段的睡眠质量，而只有掌握了各个时间段的睡眠质量，才能以此为基础分析并提高睡眠质量，尤其贴片作为信号监测装置在这种监控系统中的作用是举足轻重的。因而这种贴片式的声表面波传感器有着巨大发展空间。
现有技术中，为解决上述问题一般采用有源传感器、电源、传输单元等组成的一个监控系统来对心跳或者脉搏进行检测，但是这种检测方式存在以下缺点：1.现有的有源传感器由于需要电源供电，而电源在使用的过程中，容易出现没电的情况，则无法对此后时间的睡眠进行监控，而因为贴片比较贴近皮肤，则有较大的安全隐患，比如漏电等等。2.现有技术的信号采集装置重量较重、体积较大，放置贴身的位置会让其不舒服，影响用户正常的睡眠质量。3.现有技术的实施方式抗干扰能力较差，容易受温度、湿度、干扰压力的影响测量结果，在分析数据时会产生较大的偏差。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置及监测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，包括：
传力柱，与用户的皮肤连接，用于传递用户的心跳压力；
贴片式声表面波传感器，与传力柱连接，用于将用户的心跳压力转换为电信号，同时实现电信号和声表面波信号的互换；
传输天线模块，与贴片式声表面波传感器连接，用于接收外界的激励电信号并传递至贴片式声表面波传感器，同时无线传输贴片式声表面波传感器传递的电信号。
所述贴片式声表面波传感器包括：
压电材料基片，与传力柱连接，作为声表面波传递的物理介质；
叉指换能组件，位于压电材料基片上，与传输天线模块连接，用于将用户的心跳压力转换为电信号并发送至传输天线模块，同时接收传输天线模块输入的激励电信号；
外围保护组件，分别与压电材料基片和叉指换能组件连接，用于保护压电材料基片和叉指换能组件。
所述叉指换能组件包括：
叉指换能器，位于压电材料基片上，与传输天线模块连接，用于接收外界的激励电信号并转换成声表面波信号，同时向传输天线模块发送电信号；
反射栅，位于压电材料基片上，与叉指换能器连接，用于反射压电材料基片上叉指换能器发出的声表面波信号与心跳压力产生的声表面波信号的混合信号至叉指换能器。
所述叉指换能器和反射栅的相对位置通过有限元分析法确定。
所述外围保护组件包括：
基片支架单元，位于压电材料基片的上下两侧，用于支撑压电材料基片；
保护薄膜，位于压电材料基片的外表面，用于覆盖压电材料基片。
所述基片支架单元包括至少4个基片支架，所述基片支架分散布置于压电材料基片的上下两侧。
所述传输天线模块包括：
微带传输线，与贴片式声表面波传感器连接，用于传输贴片式声表面波传感器发出的电信号；
微型天线，与微带传输线连接，用于对电信号进行无线传输。
所述微型天线的横截面积为5-7mm2。
所述贴片式声表面波传感器的厚度在3-5mm之间。
一种基于如上所述的声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置的睡眠质量监测系统，包括：
睡眠质量数据采集装置，用于采集用户的睡眠质量数据并进行无线发送；
控制终端，用于向睡眠质量数据采集装置发射激励电信号，同时接收睡眠质量数据采集装置发送的睡眠质量数据；
所述控制终端包括：
信号交互模块，用于向睡眠质量数据采集装置发送激励电信号，同时接收并处理睡眠质量数据；
睡眠质量分析模块，用于分析信号交互模块接收的睡眠质量数据，根据睡眠质量数据计算用户心跳压力的平均度以及相邻两次心跳压力时间间隔的相似程度，并根据计算结果判断用户的睡眠质量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过贴片式声表面波传感器实现心跳压力信号与电信号的转化，无需供电即可实现，避免了漏电等危险因素，安全系数高，也不会出现断电导致数据未记录的情况。
(2)采用贴片式声表面波传感器，厚度在3-5mm之间，同时采用横截面积在5-7mm2的微型天线，使得整个系统重量较轻，体积较小，放置在贴身的位置也不会对人体产生压迫，舒适性良好。
(3)叉指换能器和反射栅的位置通过有限元分析法确定，使得二者在压电材料基片上的位置较优，信号传输效果较好。
(4)压电材料基片上部设有分散的支架，外围有包裹的保护薄膜，对整个贴片式声表面波传感器的上部起到了保护作用，并且能够承受一定的干扰压力。
(5)基片支架分散布置于压电材料基片的上下两侧，使得叉指换能器和反射栅所处位置在传感器受力时更加稳定，且由于支架是边沿型的，不影响叉指换能器和反射栅的位置选择，设计时自由度更大，并且对叉指换能器和反射栅有一定的保护作用。
(6)压电材料基片下部分散的支架加上包围的薄膜可以更好的将心跳所产生的微小压力集中于传力柱底面，微小的压力信号得到了双重集中。
(7)通过使用声表面波传感器，频率可以达到兆赫兹，这使得其在有效的测量范围内具有良好的灵敏度，在测量微小的心跳压力变化时有着很大的优势。
(8)通过使用声表面波传感器，在有效测量范围内具有良好的线性度，且在常温条件下工作时，具有稳定度高、功耗小等特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置的使用位置示意图，其中(3a)为使用者平躺时的位置示意图，(3b)为使用者侧躺时的位置示意图；
图4为基于声表面波传感器的睡眠质量监测系统的结构图；
其中，1为微型天线，2为叉指换能器，3为反射栅，4为基片支架，5为压电材料基片，6为传力柱，7为保护薄膜，8为微带传输线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
声表面波传感器的主要原理是利用声表面波理论以及晶体材料的压电性能，实现压力传感器无源、无线传输功能，并且由于晶体在温度稳定性方面的优势又使得其调试过程变得简便，其在进行压力测量时具有较强的抗干扰能力；声表面波传感器频率可以达到兆赫兹，这使得其在有效的测量范围内具有良好的灵敏度，在测量微小的心跳压力变化时有着很大的优势。在有效测量范围内具有良好的线性度；该类器件在常温条件下工作时，具有稳定度高、功耗小等特点；同时，由于该类器件采用半导体平面集成工艺制备，具有微型化、可集成化的优点，生产成本相比其他同类器件得到大大的降低。根据上述原理，本实施例提出了一种基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置及监测系统。
睡眠质量数据采集装置包括：传力柱6，经由保护薄膜7与用户的皮肤连接，用于传递用户的心跳压力；贴片式声表面波传感器，与传力柱6连接，用于将用户的心跳压力转换为电信号，并实现电信号和声表面波信号的相互转换；传输天线模块，与贴片式声表面波传感器连接，用于接收外界的激励电信号并传递至贴片式声表面波传感器，同时无线传输贴片式声表面波传感器传递的信号。
其中，贴片式声表面波传感器包括：压电材料基片5，与传力柱6连接，作为声表面波传递的物理介质；叉指换能组件，位于压电材料基片5上，与传输天线模块连接，用于将用户的心跳压力信号转换成电信号并发送至传输天线模块，同时接收传输天线模块输入的激励信号；外围保护组件，分别与压电材料基片5和叉指换能组件连接，用于保护压电材料基片5和叉指换能组件。叉指换能组件包括：叉指换能器2，位于压电材料基片5上，与传输天线模块连接，用于将接收的激励信号转化为声表面波信号向设有反射栅的另一端传播，并将经过反射栅反射的声表面波信号转化为电信号发送至传输天线模块；反射栅3，位于压电材料基片5上，与叉指换能器连接，用于反射压电材料基片上叉指换能器发出的声表面波信号与心跳压力产生的声表面波信号的混合信号至叉指换能器。外围保护组件包括：基片支架单元，位于压电材料基片5的上下两侧，用于支撑压电材料基片5；保护薄膜7，位于压电材料基片5的外表面，用于覆盖压电材料基片5。基片支架单元包括至少4个基片支架4，所述基片支架4分散布置于压电材料基片5的上下两侧。传输天线模块包括：微带传输线8，与贴片式声表面波传感器连接，用于传输贴片式声表面波传感器发出的电信号；微型天线1(横截面积在5-7mm2之间)，与微带传输线8连接，用于对电信号进行无线传输。
如图1-2所示为上述系统的一种具体实现形式：包括一块压电材料基片5、八段压电材料支柱、一组叉指换能组件、一个传力柱6、小天线、微带传输线8和外围包裹的薄膜。该系统用于在被子或者衣物与皮肤与贴片(厚度在3-5mm)间对心跳压力的(0-0.2N)的测量，利用材料的压电效应实现微小压力测量。贴片式声表面波传感器的设计采用有限元法根据不同的机械结构进行基片的有限元分析，对压电基体的应力和应变进行不同尺寸的分析计算，统计数据并进行线性化分析，计算基底机构在不同长度L下的测试数据，确定输入叉指换能器2和输出叉指换能器2的位置。
具体的使用方式如图3所示，将其贴在心脏部位，贴片薄膜和皮肤接触，心跳产生的微小压力经由传力柱施加于声表面波传感器中心，而这种贴片结构的优势在于，压电材料基片5上部分散的支架加上外围的薄膜对整个传感器的上部起到了保护作用，并且能够承受一定的干扰压力。多个分散支架使得差指换能器和反射栅3所处位置在传感器受力时更加稳定，且由于支架是边沿型的，不影响叉指换能器2和反射栅3的位置选择，设计时自由度更大，并且对差指换能器和反射栅3有一定的保护作用。压电材料基片5下部分散的支架加上包围的薄膜可以更好的将心跳所产生的微小压力集中于传力柱6底面，微小的压力信号得到了双重集中。
叉指换能组件为延迟线型，每组叉指换能组件至少包括一个叉指换能器2和反射栅3，且叉指换能器2和反射栅3分别固定于压电材料基片5的两端，叉指换能器2将接收的外界电磁波信号(问询信号)转换为声表面波信号，声表面波在压电材料基片上传输并与心跳压力产生的声表面波信号进行叠加后经反射栅反射3，重新回到叉指换能器2转换为电磁波信号，最后再由微型天线辐射出去。
除此之外，一些特殊的测量条件下还要求测量系统的物理结构的抗干扰能力，如图(3b)所示睡眠中的侧卧姿势等等。这就是睡眠的过程中的干扰压力出现，例如：参照图3贴片使用位置的示意图，被子的压力、侧身睡眠时心跳施加在贴片上的压力变化较大。参照图(3b)，侧身睡眠时，因为皮肤表面的褶皱等原因可能会导致贴片所受心跳压力减小，为了避免这种影响，不以心跳压力的某个值为分界线来判断此刻的睡眠质量，而是以心跳压力的平均度以及相邻两次心跳压力时间间隔的相似度来判断睡眠质量，依据上述原理，提出了一种基于声表面波传感器的睡眠质量监测系统，如图4所示，包括：睡眠质量数据采集装置，用于采集用户的睡眠质量数据并进行无线发送；控制终端，用于向睡眠质量数据采集装置发射激励电信号，同时接收睡眠质量数据采集装置发送的睡眠质量数据；其中控制终端包括：信号交互模块，用于向睡眠质量数据采集装置发送激励电信号，同时接收并处理睡眠质量数据；睡眠质量分析模块，用于分析信号交互模块接收的睡眠质量数据，根据睡眠质量数据计算用户心跳压力的平均度以及相邻两次心跳压力时间间隔的相似程度，并根据计算结果判断用户的睡眠质量。
Claims (10)
1.一种基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，包括：
传力柱，与用户的皮肤连接，用于传递用户的心跳压力；
贴片式声表面波传感器，与传力柱连接，用于将用户的心跳压力转换为电信号，同时实现电信号和声表面波信号的互换；
传输天线模块，与贴片式声表面波传感器连接，用于接收外界的激励电信号并传递至贴片式声表面波传感器，同时无线传输贴片式声表面波传感器传递的电信号。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述贴片式声表面波传感器包括：
压电材料基片，与传力柱连接，作为声表面波传递的物理介质；
叉指换能组件，位于压电材料基片上，与传输天线模块连接，用于将用户的心跳压力转换为电信号并发送至传输天线模块，同时接收传输天线模块输入的激励电信号；
外围保护组件，分别与压电材料基片和叉指换能组件连接，用于保护压电材料基片和叉指换能组件。
3.根据权利要求2所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述叉指换能组件包括：
叉指换能器，位于压电材料基片上，与传输天线模块连接，用于接收外界的激励电信号并转换成声表面波信号，同时向传输天线模块发送电信号；
反射栅，位于压电材料基片上，与叉指换能器连接，用于反射压电材料基片上叉指换能器发出的声表面波信号与心跳压力产生的声表面波信号的混合信号至叉指换能器。
4.根据权利要求3所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述叉指换能器和反射栅的相对位置通过有限元分析法确定。
5.根据权利要求2所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述外围保护组件包括：
基片支架单元，位于压电材料基片的上下两侧，用于支撑压电材料基片；
保护薄膜，位于压电材料基片的外表面，用于覆盖压电材料基片。
6.根据权利要求5所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述基片支架单元包括至少4个基片支架，所述基片支架分散布置于压电材料基片的上下两侧。
7.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述传输天线模块包括：
微带传输线，与贴片式声表面波传感器连接，用于传输贴片式声表面波传感器发出的电信号；
微型天线，与微带传输线连接，用于对电信号进行无线传输。
8.根据权利要求7所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述微型天线的横截面积为5-7mm2。
9.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置，其特征在于，所述贴片式声表面波传感器的厚度在3-5mm之间。
10.一种基于如权利要求1所述的声表面波传感器的睡眠质量数据采集装置的睡眠质量监测系统，其特征在于，包括：
睡眠质量数据采集装置，用于采集用户的睡眠质量数据并进行无线发送；
控制终端，用于向睡眠质量数据采集装置发射激励电信号，同时接收睡眠质量数据采集装置发送的睡眠质量数据；
所述控制终端包括：
信号交互模块，用于向睡眠质量数据采集装置发送激励电信号，同时接收并处理睡眠质量数据；
睡眠质量分析模块，用于分析信号交互模块接收的睡眠质量数据，根据睡眠质量数据计算用户心跳压力的平均度以及相邻两次心跳压力时间间隔的相似程度，并根据计算结果判断用户的睡眠质量。
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