CN109916427A - 一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统。该计步系统包括：摩擦电式压力传感器，设置在鞋垫内，用于将人体行走的机械能转化为电能以输出模拟电压信号；处理器，设置在鞋垫内并与所述摩擦电式压力传感器电连接，用于将所述摩擦电式压力传感器输出的所述模拟电压信号转化为数字信号，并对所述数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数；数据接收器，与所述处理器电连接，用于接收所述处理器的计数结果，从而获得人体行走的步数。本发明计步系统与鞋子联系起来，更好地契合人体，使得传感器获得的步数的精度显著提高，同时解决了传统式传感器的能源消耗问题。

Description

一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统。

背景技术

随着国家经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们越来越多地关注自身的健康问题，想要追寻健康的生活方式。智能化的物联网技术的发展和成熟为人们监测和获取自身健康指标提供了巨大的便利。步数作为每日运动的指标之一备受关注，计步器通过统计步数、距离、速度、时间等数据，测算卡路里或热量消耗，用以掌控每日的运动量。

目前市面上应用最广泛的计步器是手机计步APP、计步手环，其一般利用的是压电式加速度传感器，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。通过这个加速度传感器，可以测量人体在三个不同方向上的加速度。然后通过对这个加速度的值进行计算，大概测出走路的步数。然而，这种压电式加速度传感器也存在一些弊端。首先，人体较大的动作或者坐在公交车上等等情况都会造成加速度计的震动，产生数据误差。其次，该加速度传感器需要一个外接电源为压电元件持续供电，实时监测其电压大小，产生能量损耗。在计步的准确性和能耗性方面，加速度传感器依然存在很大缺陷。

因此，研究出一种主动型传感器用以满足精确计步需求有着重要的意义。

发明内容

主动型传感器是指传感器本身在吸收了能量，如光能、热能或机械能等，经它本身变换后再输出电能，如采用压电效应、磁致伸缩效应、热电效应、光电效应等制成的传感器都属于主动型传感器，该类传感器不需要外加电源，本身就是一个能量变换器。而被动型传感器需要外加输入电源/偏压，它以改变电阻或其他物理特性等方式向外输出电信号，采用电阻、电感、电容及应变效应、磁阻效应、热阻效应制成的传感器都属于被动型传感器，但这类传感器信号的输出需要测试回路提供电源，且电源的输出能量要受测试对象输出信号所控制。

目前，已经开发的主动型压力传感器主要是基于压电材料受力后由于压电效应产生电信号，从而可感知压力的压电式压力传感器。但压电式压力传感器只适用于静态压力测试，不适用于动态施力过程监控，如无法得到频率、速度、加速度、位移等多个动态参量，已不能满足人机交互、电子皮肤等前沿应用的技术需求，因此，亟需开发一种可同时进行静态和动态的监测的新型主动式压力传感器。

本申请的发明人发现摩擦电式压力传感器(Triboelecric Nanogenerator BeseActive Sensor)可以反馈出施加外力的所有信息(包括压强、运动、振动等)，是一种稳定可靠高性能的主动式压力传感器。摩擦电式压力传感器是基于接触起电和静电感应的耦合作用，传感器可以通过分析环境中的激励所产生的电学信号来实现传感，这种传感器不需要外部电源来驱动，依靠机械触发所产生的电学输出作为检测信号的。该摩擦电式压力传感器也即摩擦纳米发电机，可以对应诸如压阻式、压电式、电容式传感器等。本发明的一个目的是要提供一种主动型传感器以满足计步以及无需外接电源供电的需求。

本发明的另一个目的是要提供能够精确计步的传感电路。

特别地，本发明提供了一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统，包括：

摩擦电式压力传感器，设置在鞋垫内，用于将人体行走的机械能转化为电能以输出模拟电压信号；

处理器，设置在鞋垫内并与所述摩擦电式压力传感器电连接，用于将所述摩擦电式压力传感器输出的所述模拟电压信号转化为数字信号，并对所述数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数；

数据接收器，与所述处理器电连接，用于接收所述处理器的计数结果，从而获得人体行走的步数。

可选地，所述数据接收器实时接收所述处理器的计数结果。

可选地，所述数据接收器集成在移动终端的计步APP、智能手环或计步鞋上。

可选地，所述摩擦电式压力传感器包括摩擦材料和电极材料，所述摩擦材料和所述电极材料选择为柔性材料。

可选地，所述处理器包括：

信号输入模块，与所述摩擦电式压力传感器的信号输出端电连接，并将由所述信号输出端输入的所述模拟电压信号转化为数字信号；

微处理模块，与所述信号输入模块电连接，用于捕捉所述数字信号，并对所述数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数；以及

电源模块，分别与所述信号输入模块和所述微处理模块电连接，用于向所述信号输入模块和所述微处理模块供电。

可选地，所述信号输入模块包括TLC555芯片；

可选地，所述TLC555芯片包括第一管脚，所述第一管脚与所述电源模块电连接；

可选地，所述TLC555芯片还包括第二管脚，所述第二管脚与所述摩擦电式压力传感器的所述信号输出端电连接。

可选地，所述电源模块的供电电压为第一电压值；

所述TLC555芯片还包括将所述摩擦电式压力传感器输出的模拟电压转化为第二电压值的第三管脚。

可选地，所述信号输入模块还包括电压转换单元，所述电压转换单元与所述TLC555芯片的所述第三管脚电连接，用于将所述第二电压值转换为所述第一电压值。

可选地，所述微处理模块包括NRF52832芯片；

可选地，所述NRF52832芯片与所述电压转换单元电连接，用于对所述第一电压值转化的可识别数字信号进行计数。

可选地，所述电源模块包括：

电池充电保护电路单元，具有USB接口以及充电保护电路；

第一供电单元，与所述电池充电保护电路单元电连接，并与所述微处理模块电连接，用于向所述微处理模块供电；

第二供电单元，与所述电池充电保护电路单元电连接，并与所述信号输入模块电连接，用于向所述信号输入模块供电。

根据本发明的方案，通过利用摩擦电式压力传感器作为主动型传感器并将其设置在鞋垫中，其可以收集人体运动时脚部踩踏地面的机械能，将该机械能转化为电能，产生电信号，当人体行走一步，摩擦电式压力传感器只会产生一个电信号，再通过对电信号的次数进行计数，从而实现对人体步数的计数。这不仅为计步领域提供一种新型的传感器，而且与鞋子联系起来，更好地契合人体，使得传感器获得的步数的精度相比于现有技术中压电式加速度传感器显著提高，同时解决了传统式传感器的能源消耗问题。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的基于摩擦电式压力传感器的计步系统的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的摩擦电式压力传感器的示意性结构图；

图3示出了图2所示的摩擦电式压力传感器的工作原理示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的处理器的元件布局图；

图5示出了图4所示的处理器的信号输入模块的示意性电路图；

图6示出了图4所示的微处理模块的信号输入模块的示意性电路图；

图7示出了图4所示的微处理模块的电源模块的示意性电路图；

图8示出了根据本发明一个实施例的摩擦电式压力传感器的受到的压强与其开路电压的关系图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的基于摩擦电式压力传感器的计步系统的示意性结构图。如图1所示，该计步系统包括摩擦电式压力传感器1、处理器2和数据接收器3。该摩擦电式压力传感器1设置在鞋垫内，用于将人体行走的机械能转化为电能以输出模拟电压信号。并且，该摩擦电式压力传感器1作为主动型传感器，无需外接电源。处理器2设置在鞋垫内并与摩擦电式压力传感器1电连接，用于将摩擦电式压力传感器1输出的模拟电压信号转化为数字信号，并对数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数。数据接收器3与处理器2电连接，用于接收处理器2的计数结果，从而获得人体行走的步数。在一个优选的实施例中，该数据接收器3实时接收处理器2的计数结果。该数据接收器3集成在移动终端的计步APP、智能手环或计步鞋上，当然，也可以独立设置，不与移动终端的计步APP、智能手环或计步鞋集成，只要能够满足移动终端的计步APP、智能手环或计步鞋能够显示数据接收器3上的技术结果即可。

本申请的发明人发现，摩擦电式压力传感器可以收集人体行走、奔跑的机，不需要任何外接电源的供电。此外，摩擦电式压力传感器在摩擦起电和静电耦合的过程中，电子移动速度非常快，若能够将其作为主动型传感器会具有极高的灵敏度。在一个优选的实施例中，该摩擦电式压力传感器1为柔性摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机可以为任意模式的摩擦纳米发电机，例如接触分离式、水平滑移式、单电极式和独立层式等。其中，摩擦纳米发电机的摩擦材料和电极材料均选择为柔性材料。例如，将有机硅橡胶和尼龙14作为摩擦材料，将PEDOT:PSS作为电极材料。选择柔性摩擦纳米发电机1可以更好地契合人体脚部，提高行走时的舒适感。

根据本发明的方案，通过利用摩擦纳米发电机作为主动型传感器并将其设置在鞋垫中，其可以收集人体运动时脚部踩踏地面的机械能，将该机械能转化为电能，产生电信号，当人体行走一步，摩擦纳米发电机1只会产生一个电信号，再通过对电信号的次数进行计数，从而实现对人体步数的计数。这不仅为计步领域提供一种新型的传感器，而且与鞋子联系起来，更好地契合人体，使得传感器获得的步数的精度相比于现有技术中压电式加速度传感器显著提高，同时解决了传统式传感器的能源消耗问题。

在一个实施例中，该摩擦纳米发电机中的摩擦材料为有机硅橡胶和尼龙14，电极材料为PEDOT:PSS。该摩擦纳米发电机的制备方法包括如下：

步骤一：用亚克力板制作方格突起模具，将一定比例的有机硅橡胶和固化剂，搅拌混合均匀，迅速倒在制作好的模具中，等待固化，从而形成有机硅橡胶基底11；

步骤二：将固化好的有机硅橡胶从模具上揭下并翻过来，此时方格凹陷朝上，在方格凹陷中注入PEDOT:PSS，铺满方格凹陷的底部，放入80℃的烘箱，等待PEDOT:PSS固化，从而形成PEDOT:PSS电极12；

步骤三：裁剪一段铜线，用银胶将铜线的一段连接在PEDOT:PSS电极12上；

步骤四：再在PEDOT:PSS电极12上铺上薄薄一层掺有一定比例固化剂的有机硅橡胶，等待固化，从而在PEDOT:PSS电极12上形成一层有机硅橡胶摩擦层13；

步骤五：在有机硅橡胶基底11四周涂抹上混合好的同比例的硅胶和固化剂，裁剪一块与硅胶基底相同大小的尼龙14，封住整个硅胶方格凹陷，将铜线的另一端留在外面。

由上述制备方法获得的摩擦纳米发电机的结构如图2所示，该摩擦纳米发电机为单电极模式。上述步骤四中在PEDOT:PSS电极12上铺上的有机硅橡胶并未填满整个方格凹陷。在上述步骤五中，尼龙14和步骤四中铺在PEDOT:PSS电极12上的有机硅橡胶摩擦层13之间具有一定空隙。

图3示出了图2所示的摩擦电式压力传感器的工作原理示意图。该摩擦电式压力传感器的电极材料PEDOT:PSS接地。该摩擦电式压力传感器的初始状态为图3i所示，当人体一旦行走，脚部对摩擦电式压力传感器施加作用力，有机硅橡胶与尼龙接触摩擦，尼龙带正电，有机硅橡胶带负电，如图3ii所示。当脚离开地面抬起来的时候，有机硅橡胶与尼龙分离，此时封装在有机硅橡胶中的PEDOT:PSS感应出与硅胶相反的正电荷，电子从PEDOT:PSS移动到地面，如图3iii所示。当尼龙与有机硅橡胶最大程度的分离时，PEDOT:PSS上感应出最多的正电荷，如图3iv所示。接着，当脚想再次踩踏地面时，有机硅橡胶与尼龙之间的距离逐渐减小，由于静电感应，电子逐渐从PEDOT:PSS转移至地面，如图3v所示。当有机硅橡胶再次与尼龙完全接触时，PEDOT:PSS带有最少的正电荷，又回到的图3i，如此循环。从一个循环周期来看，摩擦电式压力传感器的开路电压呈现先增加后减小的趋势，在图3iv处出现峰值。因此，当人体行走一步，摩擦电式压力传感器只会相对应产生一个电信号。这种一一对应关系证明了以摩擦电式压力传感器作为传感器的可靠性和准确性。更为重要的是，摩擦电式压力传感器依靠摩擦起电和静电感应效应，产生电信号无需任何外接电源的驱动，是一种主动型传感器。

图4示出了根据本发明一个实施例的处理器的元件布局图。图5示出了图4所示的处理器的信号输入模块的示意性电路图。图6示出了图4所示的微处理模块的信号输入模块的示意性电路图。图7示出了图4所示的微处理模块的电源模块的示意性电路图。

如图4至图7所示，该处理器包括信号输入模块、微处理模块和电源模块。信号输入模块与摩擦电式压力传感器的信号输出端电连接，并将由信号输出端输入的模拟电压信号转化为数字信号。微处理模块与信号输入模块电连接，用于捕捉数字信号，并对数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数。电源模块分别与信号输入模块和微处理模块电连接，用于向信号输入模块和微处理模块供电。

如图5所示，该信号输入模块包括TLC555芯片。该TLC555芯片的供电电压为第一电压值，在该实施例中，该第一电压值为3.3V。该TLC555芯片包括八个管脚，分别为图4中的标注为GND、TRIG、OUT、RESET、CONT、THRES、DISCH和VDD的管脚。其中，标注为GND的管脚为第一管脚，标注为TRIG管脚为第二管脚，标注为OUT的管脚为第三管脚。第一管脚与电源模块电连接。第二管脚与摩擦电式压力传感器的信号输出端电连接。第三管脚用于将摩擦电式压力传感器输出的模拟电压固定转化为第二电压值，可以理解的是，人体每行走一步，只会产生一个电信号，该电信号可以被转换为第二电压值，该第二电压值大于第一电压值。在该实施例中，第二电压值为5V。将第二电压值设置为大于第一电压值，可以减少转换的电压值的噪声，从而提高电信号计数的准确性。可以理解的是，人体行走踩踏地面时，经过该TLC555芯片的处理，可以使模拟电压信号转换为第二电压值5V，反之，转换为0V，从而形成方波形式的数字信号。该第三管脚与信号输入模块的电压转换单元电连接，该电压转换单元用于将第二电压值转换为第一电压值，从而避免损坏电源模块。

该微处理模块包括NRF52832蓝牙芯片，其具体电路如图6所示，该NRF52832蓝牙芯片包括标注为PO.05/AIN3管脚，该管脚与电压转换单元电连接，从而实现对第一电压值转化的可识别数字信号的计数。人体行走踩踏地面时，经过该TLC555芯片的处理，可以使模拟电压信号转换为第二电压值5V，经过电压转换单元的处理，该第二电压值5V转换为3.3V，反之，转换为0V。再经过微处理模块的处理，3.3V被转换为能被识别的二进制数字1，0V被转换为能被识别的二进制数字0。人体在运动时，该微处理模块对二进制数字1进行计数，由于每行走一步，对应一个电信号，即对应一个二进制数字1，那么对二进制数字1的计数即可以表示人体行走的步数，从而实现计步。

如图7所示，该电源模块包括电池充电保护电路单元、第一供电单元和第二供电单元。该电池充电保护电路单元具有USB接口以及充电保护电路。当通过该USB接口将该电源模块插接在外部电源时，该外部电源一方面通过该USB接口为电源模块中的锂电池充电，另一方面为信号输入模块和微处理模块供电。当未通过该USB接口将该电源模块插接在外部电源时，该电源模块向信号输入模块和微处理模块供电。第一供电单元与电池充电保护电路单元电连接，并与微处理模块电连接，用于向微处理模块供电。第二供电单元与电池充电保护电路单元电连接，并与信号输入模块电连接，用于向信号输入模块供电。

在智能终端、智能手环或计步鞋上均设置有蓝牙适配器，以在该智能终端、智能手环或计步鞋上通过蓝牙接收数据，从而获得实时步数。

在设计处理器的传感电路时，需要摩擦电式压力传感器的大致电压基本保持不变，可以通过改变摩擦电式压力传感器的材料和结构去调控其开路电压的大小。图8示出了根据本发明一个实施例的摩擦电式压力传感器的受到的压强与其开路电压的关系图。该实施例中，摩擦电式压力传感器的受力面是边长为1cm的正方形，其面积为1cm²。由图8可知，该摩擦电式压力传感器在5*10⁵Pa之前就达到了相对稳定，此时作用在摩擦电式压力传感器上的力仅为50N。然而，任何一个正常人行走时踩踏地面的力都会超过50N，因此，当一个正常人行走时，摩擦电式压力传感器的开路电压不变，对处理器的传感电路的设计不会造成阻碍。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统，其特征在于，包括：

摩擦电式压力传感器，设置在鞋垫内，用于将人体行走的机械能转化为电能以输出模拟电压信号；

处理器，设置在鞋垫内并与所述摩擦电式压力传感器电连接用于将所述摩擦电式压力传感器输出的所述模拟电压信号转化为数字信号，并对所述数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数；

数据接收器，与所述处理器电连接，用于接收所述处理器的计数结果，从而获得人体行走的步数。

2.根据权利要求1所述的计步系统，其特征在于，所述数据接收器实时接收所述处理器的计数结果。

3.根据权利要求1或2所述的计步系统，其特征在于，所述数据接收器集成在移动终端的计步APP、智能手环或计步鞋上。

4.根据权利要求1或2所述的计步系统，其特征在于，所述摩擦电式压力传感器包括摩擦材料和电极材料，所述摩擦材料和所述电极材料选择为柔性材料。

5.根据权利要求1或2所述的计步系统，其特征在于，所述处理器包括：

信号输入模块，与所述摩擦电式压力传感器的信号输出端电连接，并将由所述信号输出端输入的所述模拟电压信号转化为数字信号；

微处理模块，与所述信号输入模块电连接，用于捕捉所述数字信号，并对所述数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数；以及

电源模块，分别与所述信号输入模块和所述微处理模块电连接，用于向所述信号输入模块和所述微处理模块供电。

6.根据权利要求5所述的计步系统，其特征在于，所述信号输入模块包括TLC555芯片；

可选地，所述TLC555芯片包括第一管脚，所述第一管脚与所述电源模块电连接；

可选地，所述TLC555芯片还包括第二管脚，所述第二管脚与所述摩擦电式压力传感器的所述信号输出端电连接。

7.根据权利要求6所述的计步系统，其特征在于，所述电源模块的供电电压为第一电压值；

所述TLC555芯片还包括将所述摩擦电式压力传感器输出的模拟电压转化为第二电压值的第三管脚。

8.根据权利要求7所述的计步系统，其特征在于，所述信号输入模块还包括电压转换单元，所述电压转换单元与所述TLC555芯片的所述第三管脚电连接，用于将所述第二电压值转换为所述第一电压值。

9.根据权利要求8所述的计步系统，其特征在于，所述微处理模块包括NRF52832芯片；

可选地，所述NRF52832芯片与所述电压转换单元电连接，用于对所述第一电压值转化的可识别数字信号进行计数。

10.根据权利要求5所述的计步系统，其特征在于，所述电源模块包括：

电池充电保护电路单元，具有USB接口以及充电保护电路；

第一供电单元，与所述电池充电保护电路单元电连接，并与所述微处理模块电连接，用于向所述微处理模块供电；

第二供电单元，与所述电池充电保护电路单元电连接，并与所述信号输入模块电连接，用于向所述信号输入模块供电。