CN109805896B - 一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及肌肉检测技术领域，具体涉及一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置，检测模块包括微处理器、多通道选择器、信号源、非平行板电容器阵列、差分放大器、滤波整流电路模块以及显示模块，信号源、多通道选择器、非平行板电容器阵列与差分放大器依次信号连接，微处理器分别与显示模块与多通道选择器信号连接，微处理器分别与信号源和差分放大器信号连接，差分放大器产生反馈信号，反馈信号通过滤波整流电路模块传输至微处理器信号，最后通过显示模块显示出表征测试者肌肉疲劳的数据。本发明装置简单轻便，易于穿戴，抗干扰能力强，传感器成本低且传感器采用环绕穿戴部位方式使得采集的测量信号立体全面，对测试者无创、无害、操作便捷。

Description

一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置

技术领域

本发明涉及肌肉检测技术领域，具体涉及一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置。

背景技术

随着社会的高速发展，人们每天承受着来自生活工作各方面的压力，在这种情况下，如何进行科学有效的体育锻炼也显得十分的重要。在进行相应的体育锻炼中，如何避免肌肉损伤显得尤为重要。肌肉疲劳指的是“机体不能将其机能保持在某一特定水平和/或不能维持某一预定的运动强度”，是衡量肌肉状态的最重要的指标。现有的人体肌肉疲劳的检测方式有：肌电信号、脑电信号、脑电信号三种检测方式。

由于大脑的容积导体效应，头皮脑电信号微弱，空间分辨率低，因此利用脑电信号测量难度大，准确率低；对于肌肉疲劳的检测，目前国内外使用最多的肌电信号，然而这种信号还是存在明显的不足：信号微弱而易受干扰，采集难度大且检测装置昂贵且笨重。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是解决肌电信号微弱而易受干扰，采集难度大且检测装置昂贵且笨重的技术问题。

为此，本发明提供了一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置，包括电源和检测模块；所述检测模块包括：微处理器、多通道选择器、信号源、非平行板电容器阵列、差分放大器、滤波整流电路模块以及显示模块；所述信号源、所述多通道选择器、所述非平行板电容器阵列与所述差分放大器依次信号连接；所述微处理器分别与所述显示模块与所述多通道选择器信号连接；所述微处理器分别与所述信号源信号连接；所述微处理器与所述差分放大器信号连接；所述信号源产生信号依次经多通道选择器和非平行板电容器阵列处理，然后传输至所述差分放大器，所述差分放大器产生反馈信号，所述反馈信号通过所述滤波整流电路模块传输至所述微处理器。

进一步地，所述信号源由所述微处理器控制产生低频方波信号；所述低频方波信号通过所述多通道选择器接入非平行板电容器阵列中。

进一步地，所述非平行板电容器阵列包括第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板、第五电容极板、第六电容极板、第七电容极板和第八电容极板；所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板、第五电容极板、第六电容极板、第七电容极板和第八电容极板中至少有两个极板不平行。

进一步地，所述微处理器控制所述多通道选择器选择当前非平行板电容器阵列需要使用的第一电容极板和第二电容极板。

进一步地，所述第一电容极板与所述信号源通过所述低频方波信号连接；所述第二电容极板与所述差分放大器信号连接；

进一步地，所述微处理器控制所述差分放大器消除所述第一电容极板和第二电容极板电容初始值，使得所述第一电容极板和第二电容极板形成的电容初始值为固定值。

进一步地，所述差分放大器处理后的模拟信号通过所述整流滤波电路模块进行整流和滤波得到一个稳定的直流信号，所述直流信号接入后级微处理器进行处理。

进一步地，所述显示模块由微处理器控制显示用户当前肌肉状态以及当肌肉疲劳时的提示。

进一步地，所述微处理器为ARM。

进一步地，所述检测模块与所述电源电连接；所述显示模块包括LED液晶显示屏。

本发明的有益效果：本申请实施例一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置,包括：微处理器、多通道选择器、信号源、非平行板电容器阵列、差分放大器、滤波整流电路模块以及显示模块，信号源、多通道选择器、非平行板电容器阵列与差分放大器依次信号连接，微处理器分别与显示模块与多通道选择器信号连接，微处理器分别与信号源连接和差分放大器信号连接，差分放大器产生反馈信号，反馈信号通过滤波整流电路模块传输至微处理器信号。

通过将非平行板电容器阵列的八个电容极板环形缠绕至肢体，作为人体肌肉信号的传感器，微处理器产生一个抗干扰能力强的低频方波信号源，且将此信号传输至多通道选择器中，同时控制多通道选择器选择当前非平行板电容器阵列需要使用的第一电容极板和第二电容极板，形成电容极板组合，电容极板组合得到肌肉介电常数的变化信号，然后将该信号依次通过差分放大电器进行初始值消除处理，然后，通过滤波整流电路模块将差分放大器处理后的模拟信号进行整流以及滤波从而得到一个稳定的直流信号作为反馈信号传输至微处理器作为后级测量信号，最后，由微处理器控制显示模块显示出测试者当前肌肉状态以及当肌肉疲劳信息，即可完成肌肉疲劳程度的检测，得到该测试者肌肉疲劳程度的数据信息。

本申请实施例肌肉疲劳便携检测装置简单轻便，易于穿戴，抗干扰能力强，传感器成本低且传感器采用环绕穿戴部位方式使得采集的测量信号立体全面，对测试者无创、无害、操作便捷，具有很强的推广价值。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本申请实施例基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置示意图；

图2为本申请实施例非平行板电容器阵列示意图。

图中：1、微处理器；2、多通道选择器；3、信号源；4、非平行板电容器阵列；41、第一电容极板；42、第二电容极板；43、第三电容极板；44、第四电容极板；45、第五电容极板；46、第六电容极板；47、第七电容极板；48、第八电容极板；5、差分放大器；6、滤波整流电路模块；7、显示模块。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置,检测模块包括微处理器、多通道选择器、信号源、非平行板电容器阵列、差分放大器、滤波整流电路模块以及显示模块，信号源、多通道选择器、非平行板电容器阵列与差分放大器依次信号连接，微处理器分别与显示模块与多通道选择器信号连接，微处理器分别与信号源和差分放大器信号连接，差分放大器产生反馈信号，反馈信号通过滤波整流电路模块传输至微处理器信号，最后通过显示模块显示出测试者的肌肉疲劳数据。本发明装置简单轻便，易于穿戴，抗干扰能力强，传感器成本低且传感器采用环绕穿戴部位方式使得采集的测量信号立体全面，对测试者无创、无害、操作便捷，具有很强的推广价值。

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

为解决现有肌电信号微弱，采集难度大易受干扰且检测装置昂贵笨重的技术问题，如图1所示，本实施例公开了一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置，包括电源和检测模块，检测模块包括：微处理器1、多通道选择器2、信号源3、非平行板电容器阵列4、差分放大器5、滤波整流电路模块6以及显示模块7，信号源3、多通道选择器2、非平行板电容器阵列4与差分放大器5依次信号连接，微处理器1分别与显示模块7与多通道选择器2信号连接，微处理器1分别与信号源3信号连接，微处理器1与差分放大器5信号连接，信号源3产生信号依次经多通道选择器2和非平行板电容器阵列4处理，然后传输至差分放大器5，差分放大器5产生反馈信号，反馈信号通过滤波整流电路模块6传输至微处理器1。

具体而言：

微处理器1，本实施例中微处理器1具体为ARM。微处理器1作为整个检测装置系统的控制单元，与信号源3信号连接，控制信号源3的产生。同时控制多通道选择器2，控制显示模块7以及测量滤波电路模块出来后的模拟信号。

多通道选择器2，多通道选择器2由微处理器1控制，通过多通道选择器2来控制对当前状态非平行板电容器阵列4的中电容极板的选择。

信号源3，信号源3由微处理器1控制产生低频方波信号，低频方波信号通过多通道选择器2接入非平行板电容器阵中。因为肌电信号极其微弱，很容易受到外界环境的影响，信号的识别检测效果很差。本实施例信号源3采用低频方波信号，抗干扰能力强，检测效果佳。

非平行板电容器阵列4，具体的，如图2所示，本实施例非平行板电容器阵列4包括第一电容极板41、第二电容极板42、第三电容极板43、第四电容极板44、第五电容极板45、第六电容极板46、第七电容极板47和第八电容极板48。第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板、第五电容极板、第六电容极板、第七电容极板和第八电容极板中至少有两个极板不平行。非平行板电容器阵列4一端连接多通道选择器2，通过多通道选择器2的控制来确定当前需要使用的两块电容极板：第一电容极板41和第二电容极板42。具体的，微处理器1控制多通道选择器2选择当前非平行板电容器阵列4需要使用的第一电容极板41和第二电容极板42，形成电容极板组合。

第一电容极板41与信号源3通过信号源3产生的低频方波信号连接，作为前级信号。第二电容极板42与差分放大器5信号连接作为后级信号。所述八个电容极板互相可活动连接，在使用时，非平行板电容器阵列4作为采集人体肌肉信号的传感器，环绕肢体，例如手臂或者腿部，即可全方位、立体的获取肌肉介电常数的变化，操作方便简单。

差分放大器5，微处理器1控制差分放大器5消除第一电容极板41和第二电容极板42电容初始值，使得第一电容极板41和第二电容极板42形成的电容初始值为固定值。差分放大器5为非平行板电容器阵列4的后级模拟处理器，主要是通过微处理器1控制消除非平行板电容器阵列4不同电容极板组合的电容初始值不同，使得各种电容极板组合的初始值相同以便于更好的放大不同电容组合下的有效信号。

滤波整流电路模块6，主要为整流滤波电路，差分放大器5处理后的模拟信号通过整流滤波电路模块6进行整流和滤波从而得到一个稳定的直流信号，直流信号接入后级微处理器1进行处理。

显示模块7，显示模块7由微处理器1控制显示用户当前肌肉状态以及当肌肉疲劳时的提示。显示模块7包括LED液晶显示屏。

本实施例通过将非平行板电容器阵列4的八个电容极板环形缠绕至肢体，作为人体肌肉信号的传感器，微处理器1产生一个抗干扰能力强的低频方波信号源3，且将此信号传输至多通道选择器2中，同时控制多通道选择器2选择当前非平行板电容器阵列4需要使用的第一电容极板41和第二电容极板42，形成电容极板组合，即该状态下的电容器。电容极板组合得到肌肉介电常数的变化信号，然后将该信号依次通过差分放大器5进行初始值消除处理，然后，通过滤波整流电路模块6将差分放大器5处理后的模拟信号进行整流以及滤波从而得到一个稳定的直流信号作为反馈信号传输至微处理器1作为后级测量信号，最后，由微处理器1控制显示模块7显示出测试者当前肌肉状态以及当肌肉疲劳信息，即可完成肌肉疲劳程度的检测，得到该测试者肌肉疲劳程度的数据信息。

本实施例肌肉疲劳便携检测装置，装置简单轻便，易于穿戴，抗干扰能力强，传感器成本低且传感器采用环绕穿戴部位方式使得采集的测量信号立体全面，并且此方法具有无创、无害且操作便捷的特点，提供了一种结构简单，装置轻便，抗干扰能力强的肌肉疲劳的检测方法。

实施例2：

为进一步公开实施例1中一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置，本实施例公开了一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置的使用方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：将非平行板电容器阵列4环绕至测试者的肌肉周围并连接电源；

步骤S2：微处理器1产生一个抗干扰能力强的低频方波信号源3且将此信号传输至多通道选择器2中；

步骤S3：多通道选择器2在微处理器1的控制下，在平行板电容器阵列4中选择第一电容极板41和第二电容极板42形成电容极板组合作为测量电容器，第一电容极板41与微处理器1产生的低频方波信号源3连接，第二电容极板42与差分放大器5信号连接；

步骤S4：第一电容极板41的输出信号和微处理器1的输出信号作为差分放大器5的输入信号，然后微处理器1的输出信号通过差分放大器5抵消非平行板电容器阵列4的初始值，以便于更好的放大由于肌肉介电常数改变而使得当前电容极板组合电容量的变化；

步骤S5：由滤波整流电路模块6将差分放大器5放大后的信号进行整流滤波，得到一个平稳的直流信号送入微处理器1中进行模数转换；

步骤S6：微处理器1将模拟电路处理后的直流信号进行模数转换，且将当前采集的信号数值与当前采用电容极板组合进行关联存储，然后通过显示模块7显示出来。

特别的，在步骤S3中选择不同电容极板组合，可重复步骤S3至S6，通过电容极板的不同组合方式，获取当前状态下肌肉介电常数的变化引起非平行板电容器电容量的改变量，其中电容与介电常数的关系公式为:C＝εs/4πkd。

在微处理器1中，通过卷积神经网络算法将获得的多组数据进行模拟计算获得当前肌肉的介电常数，最后通过显示模块7显示出当前的肌肉疲劳程度。特别的，当计算出的介电常数低于设定的阈值时，显示模块7中显示当前的肌肉状态为良好且给出该状态下的肌肉疲劳度，当计算出的介电常数超出设定的阈值时，微处理器1控制显示模块7对用户进行肌肉疲劳的警告，并提示测试者进行相应调整。

本实施例检测方法简单无创、无害且操作便捷，为测试者提供了一种结构简单，装置轻便，抗干扰能力强的肌肉疲劳的检测方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于介电常数的肌肉疲劳便携检测装置，包括电源和检测模块；其特征在于，所述检测模块包括：微处理器、多通道选择器、信号源、非平行板电容器阵列、差分放大器、滤波整流电路模块以及显示模块；

所述信号源、所述多通道选择器、所述非平行板电容器阵列与所述差分放大器依次信号连接；

所述微处理器分别与所述显示模块与所述多通道选择器信号连接；

所述微处理器分别与所述信号源信号连接；所述微处理器与所述差分放大器信号连接；

所述信号源产生信号依次经多通道选择器和非平行板电容器阵列处理，然后传输至所述差分放大器，所述差分放大器产生反馈信号，所述反馈信号通过所述滤波整流电路模块传输至所述微处理器；

所述信号源由所述微处理器控制产生低频方波信号；所述低频方波信号通过所述多通道选择器接入非平行板电容器阵列中；

所述非平行板电容器阵列包括第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板、第五电容极板、第六电容极板、第七电容极板和第八电容极板；所述第一电容极板、所述第二电容极板、所述第三电容极板、所述第四电容极板、所述第五电容极板、所述第六电容极板、所述第七电容极板和所述第八电容极板中至少有两个极板不平行；

所述微处理器控制所述多通道选择器多次选择非平行板电容器阵列需要使用的两个电容级板；需要使用的第一电容极板与所述信号源通过所述低频方波信号连接，需要使用的第二电容极板与所述差分放大器信号连接；所述微处理器控制所述差分放大器消除需要使用的第一电容极板和需要使用的第二电容极板的电容初始值，使得需要使用的第一电容极板和需要使用的第二电容极板形成的电容初始值为固定值。

2.根据权利要求1所述的肌肉疲劳便携检测装置，其特征在于，所述差分放大器处理后的模拟信号通过所述滤波整流电路模块进行整流和滤波得到一个稳定的直流信号，所述直流信号接入后级微处理器进行处理。

3.根据权利要求1所述的肌肉疲劳便携检测装置，其特征在于，所述显示模块由微处理器控制显示用户当前肌肉状态以及当肌肉疲劳时的提示。

4.根据权利要求1所述的肌肉疲劳便携检测装置，其特征在于，所述微处理器为ARM。

5.根据权利要求1所述的肌肉疲劳便携检测装置，其特征在于，所述检测模块与所述电源电连接；所述显示模块包括LED液晶显示屏。

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