CN110087512A - 信号采集传感器阵列、电子设备及床垫 - Google Patents

Abstract

本申请的一个实施例公开了一种信号采集传感器阵列、电子设备及床垫，所述传感器阵列包括：连接层，至少两种传感器单元，信号采集电路，以及用于将各所述传感器单元与所述信号采集电路进行电连接的信号线，每种所述传感器单元进一步包括：第一阻震基材；传感器元件，其与所述第一阻震基材一一对应且设置于所述第一阻震基材与所述连接层之间；其中，所述至少两种传感器单元在所述连接层上间隔排列成阵列状。本申请方案可以使得信号幅度差异很大的不同生理信号均被传感器阵列准确地检测到。

Description

信号采集传感器阵列、电子设备及床垫

技术领域

本申请涉及信息技术领域，特别是涉及一种信号采集传感器阵列、电子设备及床垫。

背景技术

随着人们生活质量的提升，健康越来越受到关注。作为健康检测的基础，需要准确地获知一些生理信号，诸如体动、呼吸、心跳等。现有技术中，存在一些分别检测上述生理信号的设备，诸如电子手环、血压计等。然而，一方面，这些现有技术中检测的生理信号相对单一，例如电子手环可以检测体动、心跳，但在检测呼吸方面性能就相对欠缺一些；血压计检测心跳，但无法检测体动。另一方面，由于人在坐、立、动时的呼吸、心跳等参数的参考价值相对较低，而现有的检测设备往往恰是针对这些状态下的检测，故现有技术中常规的检测设备检测到的信号的可参考性也比较低。

作为改进，有人提出了使用带有传感器阵列的床垫的方案，在该方案中，使用传感器阵列检测体动、呼吸及心跳信号。然而，由于体动、呼吸、心跳信号本身在同种类型的信号幅度上延展地很大，并且不同类型的信号之间可能有几倍甚至数量级的差异，导致这些信号难以被全部准确地检测到。

发明内容

为了解决上述问题，第一方面，本申请的一个实施例提供了一种信号采集传感器阵列，其特征在于，包括：连接层，至少两种传感器单元，信号采集电路，以及用于将各所述传感器单元与所述信号采集电路进行电连接的信号线，每种所述传感器单元进一步包括：第一阻震基材；传感器元件，其与所述第一阻震基材一一对应且设置于所述第一阻震基材与所述连接层之间；其中，所述至少两种传感器单元的传感器元件在所述连接层上间隔排列成阵列状。

可选地，多个所述传感器单元共用一个信号采集电路。

可选地，一种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是另一种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上。

可选地，所述信号采集传感器阵列包括三种传感器单元，第一种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是第二种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上且20倍以下；第二种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是第三种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的5倍以上且10倍以下。

可选地，不同种的传感器单元对应有相同的信号采集电路。

可选地，所述第一阻震基材由孔征数为15PPI～60PPI的海绵制成。

可选地，所述连接层兼用作第二阻震基材，或每种所述传感器单元还包括独立设置于所述连接层与所述传感器元件之间的第二阻震基材。

可选地，在所述至少两种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性不同的情况下，所述第二阻震基材的阻震特性介于所述至少两种第一阻震基材的阻震特性的最大值与最小值之间。

可选地，所述第二阻震基材由孔征数为25PPI～50PPI的海绵制成。

可选地，还包括：所述信号线的长度大于该信号线的两端连接点之间的所述连接层在该信号线的延伸方向上可以达到的最大延伸长度。

可选地，所述信号采集电路的采样频率不低于40Hz。

可选地，对于不同传感器单元，所述信号采集电路的采样频率是不同的。

第二方面，本申请的另一个实施例提供了一种电子设备，其包括处理器及如上所述的传感器阵列。

第三方面，本申请的另一个实施例提供了一种床垫，其包括床垫本体以及如上所述的传感器阵列。

本申请的一个或多个实施例中，通过以阵列形式间隔设置至少两种传感器单元，且将传感器单元中的传感器元件设置为与所述第一阻震基材一一对应且设置于第一阻震基材与连接层之间，使得不同的信号传递到各传感器单元后得到不同程度的衰减，并且解除了各个传感器单元之间力的强耦合，从而使得信号幅度差异很大的不同生理信号均被传感器阵列准确地检测到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一个实施例的信号采集传感器阵列的俯视图；

图2是本申请的一个实施例的信号采集传感器阵列的截面图；

图3是本申请的另一个实施例的信号采集传感器阵列的俯视图；

图4是本申请的又一个实施例的信号采集传感器阵列的截面图；

图5是本申请的一个实施例的信号处理电路示意图；

图6是本申请的一个实施例的电子设备的示意图；

图7是本申请的一个实施例的床垫的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

首先需要介绍的是，本申请的发明人通过大量实验及数据研究，将信号幅度差异很大的不同生理信号难以完全被现有传感器阵列准确地检测到的主要原因锁定到了如下矛盾，即现有传感器元件、信号采集电路以及阻震材料的组合很难兼顾幅值上数量级的跨越和足够的精度；并且面状的传感器阵列中各传感器单元之间可能存在力的耦合，进而导致信号的传播，使得点状震动变化成面状信号。基于对此原因的认识，并为了解决这一矛盾，本申请的发明人提出如下实施例中的方案。

实施例一

参考图1和图2，本实施例公开的一种信号采集传感器阵列10，其包括：连接层105，至少两种传感器单元111和112，信号采集电路107，用于将各所述传感器单元111或112与所述信号采集电路107进行电连接的信号线104，每种所述传感器单元111或112进一步包括：第一阻震基材101或102；传感器元件103，其与所述第一阻震基材101或102一一对应且设置于所述第一阻震基材101或102与所述连接层105之间；其中，所述至少两种传感器单元在所述连接层上间隔排列成阵列状。这里的阻震基材是指具有对震动有阻挡效果(衰减效果)的材料，例如海绵、橡胶、泡沫等材料。阻震基材可以制成片状或具有凹陷形状的块状。若制成凹陷形状的块状，可以以凹陷形状容纳传感器元件，通过调整凹陷的大小，可以进一步调节阻震效果。图1和图2所图示的信号线是依次串联于各传感器单元之间，但本领域的技术人员应该知道，也可以分别以信号线连接于每个传感器单元111或112与信号采集电路107之间。通过以阵列形式间隔设置至少两种传感器单元，且将传感器单元中的传感器元件设置为与所述第一阻震基材一一对应且设置于第一阻震基材与连接层之间，使得不同的信号传递到各传感器单元后得到不同程度的衰减，并且由于第一阻震基材是分离的，解除了各个传感器单元之间力的强耦合，从而使得信号幅度差异很大的不同生理信号均被传感器阵列准确地检测到。

图1中以8×8的阵列进行了图示，本领域的技术人员需要明白，此处仅为示例，也可以用其他数值的行、列进行组合。

可选地，各传感器元件103与连接层105之间还设置有基板层106，用于承载传感器元件和相关调理电路，以使其整体具备较高的刚度，避免受到损坏。

可选地，如图5所示，多个所述传感器单元111或112共用一个信号采集电路107。这样可以以较少的采集电路实现较大面积的采集工作，这样不仅有助于节省成本，还可以通过使用串行总线等技术，降低信号采集的时间间隔，提升信号采集的速率。类似地，至少一个信号采集电路107又进一步连接到整个阵列的中央处理器。

可选地，一种传感器单元111中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是另一种传感器单元112中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上。这里，阻震特性是指对震动的衰减倍数。例如一种材料的阻震特性是40％，意味着其可以将震动衰减40％，而只有60％的震动可以从其一侧传递到另一端。传感器的灵敏度与采集电路的灵敏度的含义在现有技术中已有充分定义，为简洁起见不再赘述。

所述传感器元件，可以是压电片，也可以是应变片、压阻传感器等的一种或其中多种的组合。并且传感器元件中设置有运算放大电路，可以对初始信号进行放大。所述传感器元件的灵敏度不同，可以通过设置不同的元件类型或不同的运算放大电路的放大倍数来实现。

可选地，如图3所示，所述信号采集传感器阵列20包括三种传感器单元，第一种传感器单元111中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是第二种传感器单元112中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上且20倍以下；第二种传感器单元112中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是第三种传感器单元中113包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的5倍以上且10倍以下。

此外，还可以进一步细分信号的种类，而采用其他种类数的传感器单元。例如按照大幅体动、小幅体动、心跳、脉搏、呼吸等，采用5种传感器单元。

可选地，一种传感器单元111中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是另一种传感器单元112中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上，可以有多种实现方式。例如，如果两种传感器单元111和112中包括的第一阻震基材相同，对应的信号采集电路的灵敏度相同，可以使一种传感器单元中的传感器元件的灵敏度是另一种传感器单元中的传感器元件的灵敏度的2倍以上。也可以是传感器元件及对应的信号采集电路的灵敏度相同，而使一种传感器单元的第一阻震基材的阻震特性是另一种传感器单元的第一阻震基材的阻震特性的2倍以上。也可以是两种传感器单元111和112中包括的第一阻震基材相同，传感器元件的灵敏度相同，而调整一种传感器单元对应的信号采集电路的灵敏度是另一种传感器单元对应的信号采集电路的灵敏度的2倍以上，此时，虽然未图示，但本领域的技术人员应当明白，两种传感器单元是连接于不同的信号采集电路的。优选地，不同种的传感器单元对应有相同的信号采集电路，从而可以降低电路设计难度。上面举例示意了阻震特性、传感器单元和信号采集电路的灵敏度这三种参数中的一种参数变化，而另外两种相同的情况，然而应当明白，也可以调整两种变化而使一种相同，或者三种均变化，不过变化的参数越多，调试难度会越高。

可选地，第一阻震基材101或102由孔征数为15PPI～60PPI的海绵制成。优选地，第一阻震基材101或102由孔征数为20PPI～50PPI的海绵制成。这里，解释一下，海绵的使用是按照“PPI”的指标来衡量的。PPI是指每平方英寸的海绵质(par per inch)。PPI指数越高，海绵越软；PPI指数越低，海绵越硬。海绵盘是网状的。用显微镜放大观察，可以看到巢状体。巢孔越大，PPI指数就越低，海绵就越硬(每平方英寸的海绵质越小)。

可选地，如图2所示，连接层105兼用作第二阻震基材。作为一种替代方式，如图4所示，每种所述传感器单元还包括独立设置于所述连接层105与所述传感器元件之间的第二阻震基材108。当所述传感器阵列设置有基板层106时，第二阻震基材108优选地设置于基板层106与连接层105之间。

可选地，所述第二阻震基材由孔征数为25PPI～50PPI的海绵制成。优选地，第二阻震基材由孔征数为30PPI～40PPI的海绵制成。

可选地，在所述至少两种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性不同的情况下，所述第二阻震基材的阻震特性介于所述至少两种第一阻震基材的阻震特性的最大值与最小值之间。这可以通过设置不同的阻震基材来实现。例如，第一阻震基材101由孔征数为25PPI的海绵制成。第一阻震基材102由孔征数为50PPI的海绵制成。第二阻震基材由孔征数为35PPI的海绵制成。

可选地，所述信号线的长度大于该信号线的两端连接点之间的所述连接层在该信号线的延伸方向上可以达到的最大延伸长度。当信号线是串联于各个传感器单元之间时，该信号线的两端连接点是两个传感器单元与该信号线的焊点。当信号线是连接于传感器单元与信号采集电路之间时，该信号线的两端连接点是传感器单元与信号采集电路分别与该信号线的焊点。通过将信号线的长度大于该信号线的两端连接点之间的所述连接层在该信号线的延伸方向上可以达到的最大延伸长度，可以避免传感器单元之间因空间变化而将信号线拉断，从而使得传感器阵列具有更高的可靠性。

可选地，所述信号采集电路的采样频率不低于40Hz。优选地，信号采集电路的采样频率不低于100Hz。当不低于100Hz时，除了可以较好地采集到体动信号、呼吸信号及心跳信号，还可以较好地识别出心跳异常的情况。更优选地，信号采集电路的采样频率不低于200Hz。这种情况下，识别的场景和可靠度有进一步提升，所述场景例如血压、血氧、血管壁硬度、血栓程度、神经性问题等。

此处，结合图5的示意图对本申请的信号处理电路进行描述。每个传感器单元从电路的视角来看，包括传感器元件和调理电路。传感器元件用于感测人体带来的压力，将其转换为电信号并输出给调理电路。调理电路对传感器输出的电信号进行放大、滤波等调理，并输出给信号采集电路。信号采集电路可以通过多路复用器电路来实现一带多，即一个信号采集电路采集多个传感器单元的电信号。多路复用器与AD(模拟-数字)采样电路相连，AD采样电路用于对模拟信号采样并转换为数字信号，然后输出给MCU(微控制单元)。多个MCU(MCU0、MCU1、MCU2、MCU3……)又分为主MCU(图5中的MCU0)和从MCU(图5中的MCU1、MCU2、MCU3……)，从MCU用于从AD采样电路接收采集信号，并对AD采样电路进行采样频率、采样时间等参数的控制，主MCU用于接收从MUC的信号，并进行运算和输出，同时也用于对从MCU进行控制。通过使多路传感器单元复用一个AD采样电路，可以降低成本。优选地，对于不同传感器单元，所述信号采集电路的采样频率是不同的。例如信号采集电路可以包括时间基准模块、采样时间调整模块、采样频率调整模块等子模块，以实现不同的AD的采样频率和采样时间。通过设置AD的采样频率和采样时间，可以控制AD采样电路分时、变频率地(以不同的频率)采集不同传感器单元的信号，从而对弱信号相关的传感器单元进行密集采样，这样，既在频域上扩大了采样范围，又节约信道和数据处理、存储资源。通过MCU的配置，可以将任意一个传感器单元的采样频率在10～20kHz之间调整，其中高频可以采集心音和肺音信号。主MCU通过同步控制，可以使得整个传感器阵列在0.1Hz～10kHz的广泛信号频域范围内，进行灵活采样。同时，由于对不同传感器单元实施的变频率采样，使得能量统计或信号模式匹配等算法具备应用的可能，并可以选择最有效位置，选择最有效的带宽，从而实现对例如心音、肺音等体征的检测，而不必担心体动等大信号的干扰。

相应的，如图6所示，本申请还公开了一种电子设备30，包括处理器115及及如上所述的任一传感器阵列。

相应的，如图7所示，本申请还公开了一种床垫40，其包括床垫本体120以及如上所述的任一传感器阵列。床垫本体又可以进一步包括下面的垫子及上面的蒙层，床垫设计属于现有技术，在此不多赘述。

以上对本申请提供的信号采集传感器阵列、电子设备及床垫进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，还可以做出各种变化、改进，而这些变化、改进，均应纳入由本申请权利要求书所限定的保护范围中。

Claims (14)

1.一种信号采集传感器阵列，其特征在于，包括：连接层，至少两种传感器单元，信号采集电路，以及用于将各所述传感器单元与所述信号采集电路进行电连接的信号线，每种所述传感器单元进一步包括：

第一阻震基材；

传感器元件，其与所述第一阻震基材一一对应且设置于所述第一阻震基材与所述连接层之间；

其中，所述至少两种传感器单元在所述连接层上间隔排列成阵列状。

2.如权利要求1所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，多个所述传感器单元共用一个信号采集电路。

3.如权利要求1所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，一种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是另一种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上。

4.如权利要求3所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，所述信号采集传感器阵列包括三种传感器单元，第一种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是第二种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的2倍以上且20倍以下；第二种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积是第三种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性、所包括的传感器元件的灵敏度以及所对应的信号采集电路的灵敏度的乘积的5倍以上且10倍以下。

5.如权利要求3所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，不同种的传感器单元对应有相同的信号采集电路。

6.如权利要求1～5之任一项所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，所述第一阻震基材由孔征数为15PPI～60PPI的海绵制成。

7.如权利要求1～5之任一项所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，所述连接层兼用作第二阻震基材，或每种所述传感器单元还包括独立设置于所述连接层与所述传感器元件之间的第二阻震基材。

8.如权利要求4所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，在所述至少两种传感器单元中包括的第一阻震基材的阻震特性不同的情况下，所述第二阻震基材的阻震特性介于所述至少两种第一阻震基材的阻震特性的最大值与最小值之间。

9.如权利要求7所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，所述第二阻震基材由孔征数为25PPI～50PPI的海绵制成。

10.如权利要求1～5之任一项所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，还包括：所述信号线的长度大于该信号线的两端连接点之间的所述连接层在该信号线的延伸方向上可以达到的最大延伸长度。

11.如权利要求1～5之任一项所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，所述信号采集电路的采样频率不低于40Hz。

12.如权利要求1～5之任一项所述的信号采集传感器阵列，其特征在于，对于不同传感器单元，所述信号采集电路的采样频率是不同的。

13.一种电子设备，包括处理器及如权利要求1～12之任一项所述的信号采集传感器阵列。

14.一种床垫，包括床垫本体及如权利要求1～12之任一项所述的信号采集传感器阵列。