CN110311457B - 一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池，涉及穿戴式电子设备技术领域。本发明包括柔性电极、电能处理模块和蓄电模块；柔性电极用于与生物体的皮肤接触，采集皮肤电的电能；柔性电极与电能处理模块电连接；电能处理模块包括依次连接的输入端、处理电路和输出端；输入端与柔性电极电连接用于接收柔性电极所采集的电能，处理电路用于对接收的电能进行处理，输出端与蓄电模块电连接用于向蓄电模块输出处理后的电能；蓄电模块用于接收并存储电能处理模块输出的电能。本发明能为穿戴式电子设备供电。本发明能有效采集生物体皮肤表面实时存在的皮肤电进行供电，供电过程稳定，能为各种穿戴式设备提供稳定的电源。
Description
技术领域
本发明涉及穿戴式电子设备技术领域，具体涉及一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池。
背景技术
随着科学技术的不断进步和人们生活水平的提高，人们对于健康的重视程度也越来越高，健康意识也越发强烈。对于自身的生理指标，诸如心率、脉搏和体温等参数进行实时的监测能良好的观测到自身的身体状况。因此，现有技术中存在着一些穿戴式生理信号监测设备，如佩戴在腕部具有脉搏测量功能的电子表等。但是这一类的穿戴式设备存在的问题是：在使用过程中需要通过更换电池或充电的方式来补充电能，在充电和更换电池的过程中都需要中断设备的使用，进而使监测过程中断，这会影响连续监测过程的进行。
为了解决上述的技术问题，现有技术中还存在一部分具有自动充电功能的穿戴式设备。主要包括两种，一种是利用人体皮肤表面的温度将热能转换为电能，另一种是利用摩擦发电机将人体运动过程中的机械能转化为电能。在实际使用过程中发现，上述两种穿戴式设备的自供电系统都需要依靠时刻变化的外部条件实现，存在着供电不稳定的情况。
皮肤电是由皮电反应在生物体皮肤表面所产生的电势能，可以理解为皮肤电位。当生物体的生理和心理状态发生波动时，会引起体液的变动，导致上皮细胞外聚集数量不同的电子。由于生物体的皮肤不同位置所聚集的电子数量不同，因此皮肤不同位置之间存在电位差，即存在皮肤电势能。
皮电反应最早由费利和塔察诺夫发现，《生理学报》第25卷第3期一篇名为《人体皮肤电位及皮肤电反射的观察》的文章对于皮电反应及皮肤电有较为详细的研究和记载。专利号【104321016A】的专利文献公开了用于获取皮肤电活动的方法和设备，该专利公开了一种能有效获取和测量皮肤电电位的方法和设备。以上文献说明，皮肤电实时存在，并且会随生物体的生理和心理状态时刻变化。采集皮肤电势能用于为穿戴式监测设备供电，是一个切实可行的方案。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池。本发明能有效采集生物体皮肤表面实时存在的皮肤电进行供电，供电过程稳定，能为各种穿戴式设备提供稳定的电源。
本发明所述的一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池，包括柔性电极、电能处理模块和蓄电模块；
所述的柔性电极用于与生物体的皮肤接触，采集皮肤电的电能；所述的柔性电极与电能处理模块电连接；
所述的电能处理模块包括依次连接的输入端、处理电路和输出端；所述的输入端与柔性电极电连接用于接收柔性电极所采集的电能，所述的处理电路用于对接收的电能进行整流变压处理，所述的输出端与蓄电模块电连接用于向蓄电模块输出处理后的电能；
所述的蓄电模块用于接收并存储所述的电能处理模块输出的电能。
优选地，所述的柔性电极包括柔性基材，所述的柔性基材表面粘覆有柔性PCB 板，所述的柔性基材的其中一个端面上设有用于与生物体的皮肤接触的柔性电极触点，所述的柔性电极触点与柔性PCB板电连接，所述的柔性PCB板与电能处理模块的输入端电连接。
优选地，所述的柔性电极触点的数量为多个，多个所述的柔性电极触点在柔性基材的端面上环绕端面中心圆周阵列。
优选地，所述的柔性电极触点远离柔性基材的一端为球状。
优选地，所述的柔性基材为橡胶或硅胶材料制成。
优选地，所述的便携式蓄电池还包括外壳，所述的蓄电模块和电能处理模块依次设置在所述的外壳内，所述的柔性电极的一端设置在外壳内，另一端向外露出；所述的外壳上覆盖有一层隔磁层。
优选地，所述的外壳上设有两个外接电极，两个所述的外接电极分别连接蓄电模块的正负极。
优选地，所述的电能处理模块包括整流二极管和变压器，所述的柔性电极连接整流二极管的输入端，所述的整流二极管的输出端连接变压器的输入端，所述的变压器的输出端连接蓄电模块。
优选地，所述的蓄电模块为纽扣锌蓄电池、锂蓄电池或印刷蓄电池。
本发明所述的一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池，其优点在于：
1、生物体皮肤表面的皮肤电实时存在，通过柔性电极采集生物体皮肤电的电能，将该电能经过电能处理模块处理后输送到蓄电模块中存储。穿戴式设备连接蓄电模块，通过蓄电模块为穿戴式设备供电。由于皮肤电实时存在，所以通过采集皮肤电供电能为穿戴式设备提供稳定的电源，使得穿戴式设备能够持续不间断的运行，对于穿戴式设备的应用和推广具有良好的效益。柔性电极是采用柔性材料制成的电极，其能实现采集电能的功能，并且其质地柔软，能与生物体皮肤表面良好贴合，有效地采集皮肤电的电能。
2、柔性电极包括柔性基材，在柔性基材外粘覆有一层柔性PCB板，柔性基材的其中一个端面上设有圆周阵列的柔性电极触点。圆周阵列设置使得柔性电极触点采集电能充分、均匀。柔性电极触点的末端为球状。由于柔性基材和柔性电极触点的结构和材质特征，使得柔性基材和柔性电极触点在与生物体皮肤接触时，柔性基材和柔性电极触点都能根据皮肤的形状而发生变化，使柔性电极与皮肤紧密接触，充分采集皮肤电的电能，并且不会给皮肤带来刺激和不适。
3、便携式蓄电池还包括外壳，外壳上设有隔磁层。隔磁层采用隔磁材料制成，能隔离外部磁场，防止外部磁场对便携式蓄电池内部电路产生影响，进一步提高本发明的便携式蓄电池的稳定性。外壳上还设有外接电极，外接电极分别连接蓄电模块的正负极，穿戴式设备通过连接外接电极，使本发明的便携式蓄电池为穿戴式设备供电。
4、电能处理模块主要进行整流和变压处理，将柔性电极采集的电能通过整流二极管转化为固定流向的直流电，然后通过变压器进行变压，变换成1.5V的电能存储到蓄电模块中。电能处理模块能有效将柔性电极采集的电能转换为蓄电模块可存储的电能。
5、蓄电模块选用纽扣锌蓄电池、锂蓄电池或印刷蓄电池。上述的三类电池体积小，性能好，能有效存储电能，又能使本发明的便携式蓄电池的体积小。
附图说明
图1是本发明所述一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池的立体图；
图2是本发明所述一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池的剖面视图；
图3是柔性电极触点的结构示意图。
附图标记说明：1-柔性电极，11-柔性电极触点，2-电能处理模块，3-蓄电模块，4-外壳，5-外接电极。
具体实施方式
如图1-图3所示，本发明所述的一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池，包括外壳4，所述的外壳4可以采用塑料材质制成，其外形呈圆柱形，内部设有空腔。外壳 4一端封闭，一端开放。在外壳4开放的一端设有柔性电极1。柔性电极1包括由橡胶或硅胶等绝缘材料制成的圆柱状的柔性基材，柔性基材表面粘覆有柔性PCB板。柔性PCB板(Flexible printedcircuit Board)又称“软板”，是用柔性的绝缘基材制成的印刷电路，具有许多硬性印刷电路板不具备的优点。它可以自由弯曲、卷绕、折叠，可依照空间布局要求任意安排，并在三维空间任意移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化。柔性基材设置在外壳4的开放端。在柔性基材的远离外壳4的端面上设有多个柔性电极触点11。
柔性电极触点11设置多个，柔性电极触点11的结构如图3所示，其整体呈柱形，在远离柔性基材的一端呈球状。本实施例中柔性电极触点11采用圆周阵列的排列方式进行排列，具体的排列方式是围绕端面的中心等间距布置，这样布置的目的可以充分均匀的采集皮肤电的电能。柔性电极触点11的末端为球状，可以使柔性电极触点 11与皮肤贴合紧密，能够更好的采集生物电的电能。并且柔性电极1整体都为软质的柔性材料制成，其受力可变形，在与皮肤接触时可以变形，使柔性电极1与皮肤贴合紧密，也不会给皮肤带来刺激和不适。
每两个柔性电极触点可视为一组，在柔性电极触点接触皮肤后，两个柔性电极触点之间存在电压差，且该电压方向随生物体的生理和心理变化实时改变。也就是说，一组柔性电极触点内的电流方向是实时变化的，各组柔性电极触点之间的电流方向也各不相同。因此需要设置整流二极管，将各组柔性电极触点采集的方向不同的电流整流成固定流向的电流，然后进行变压处理。
在外壳4内还设有电能处理模块2和蓄电模块3。电能处理模块2是一块集成电路板，在电路板上设有整流二极管和变压器。参阅图2，柔性PCB板与整流二极管的输入端相连接，整流二极管的输出端与变压器的输入端相连接。变压器的输出端与蓄电模块3相连接。电能处理模块2的主要作用是对柔性电极1采集的电能进行整流和变压。整流二极管可以将采集的方向不同的电流转换为固定流向的直流电，变压器则用于对电流进行升压，使其升压到1.5V。
外壳4上还设有一层隔磁层。隔磁层覆盖外壳4，隔磁层由EMI吸波材料制成，具有良好的磁屏蔽效果，能够屏蔽外界强磁场对于所述的便携式蓄电池内部电路的影响。
本实施例中，蓄电模块3采用纽扣蓄电池或锂蓄电池或印刷蓄电池。用于存储变压器输出的电能。外壳4上还设有两个外接电极5，两个外接电极5分别与蓄电模块 3的正负极相连接。
本实施例中，将本发明的便携式蓄电池与心率监测器搭配使用。心率监测器通常设计成电子手表的结构佩戴在腕部，能够实时监测佩戴者的心率。将本发明的便携式蓄电池安装在心率监测器内，使柔性电极触点11外露在心率监测器的背面，使外接电极5与心率监测器的电压输入端连接，通过所述的便携式蓄电池为心率监测器供电。佩戴者在佩戴心率监测器后，在表带的约束作用下，心率监测器背面的柔性电极触点11会与佩戴者的手部皮肤接触。柔性电极触点11开始采集佩戴者手部的皮肤电的电能，采集的电能从各个柔性电极触点11汇入到柔性PCB板中。柔性PCB板再通过导线将汇集的电流传输到整流二极管中进行整流。整流二极管将汇集的各个方向不同的电流转换为固定流向的低压直流电。整流后的低压直流电传输到变压器中进行升压，变压器将低压直流电升压到1.5V，然后传输到蓄电模块3中进行存储。蓄电模块3则通过两个外接电极5将电能输送到心率监测器中，为心率监测器供电。
生物体皮肤表面的皮肤电实时存在，通过柔性电极1采集生物体皮肤电的电能，将该电能经过电能处理模块2处理后输送到蓄电模块3中保存。穿戴式设备连接蓄电模块3，通过蓄电模块3为穿戴式设备供电。由于皮肤电实时存在，所以通过采集皮肤电供电能为穿戴式设备提供稳定的电源，使得穿戴式设备能够持续不间断的运行，对于穿戴式设备的应用和推广具有良好的效益。柔性电极1是采用柔性材料制成的电极，其能实现采集电能的功能，并且其质地柔软，能与生物体皮肤表面良好贴合，有效地采集皮肤电的电能。
本发明的工作原理是：利用生物体皮肤不同位置之间存在的电位差，通过柔性电极上的柔性电极触点采集该电位差所产生的电流，然后经过整流和变压处理成 1.5V的电势能存储在蓄电模块中，用于为穿戴式监测设备供电。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池，其特征在于，包括柔性电极、电能处理模块和蓄电模块；
所述的柔性电极用于与生物体的皮肤接触，采集皮肤电的电能；所述的柔性电极与电能处理模块电连接；
所述的电能处理模块包括依次连接的输入端、处理电路和输出端；所述的输入端与柔性电极电连接用于接收柔性电极所采集的电能，所述的处理电路用于对接收的电能进行整流变压处理，所述的输出端与蓄电模块电连接用于向蓄电模块输出处理后的电能；
所述的蓄电模块用于接收并存储所述的电能处理模块输出的电能；
所述的柔性电极包括柔性基材，所述的柔性基材表面粘覆有柔性PCB板，所述的柔性基材的其中一个端面上设有用于与生物体的皮肤接触的柔性电极触点，所述的柔性电极触点与柔性PCB板电连接，所述的柔性PCB板与电能处理模块的输入端电连接；
所述的柔性电极触点的数量为多个，多个所述的柔性电极触点在柔性基材的端面上环绕端面中心圆周阵列；
所述的柔性电极触点远离柔性基材的一端为球状；
柔性电极触点采用圆周阵列的排列方式进行排列，排列方式是围绕端面的中心等间距布置；
柔性电极触点的末端为球状，使柔性电极触点与皮肤贴合紧密，并且柔性电极整体都为软质的柔性材料制成，其受力可变形，在与皮肤接触时可以变形，使柔性电极与皮肤贴合紧密；
每两个柔性电极触点可视为一组，在柔性电极触点接触皮肤后，两个柔性电极触点之间存在电压差，且该电压方向随生物体的生理和心理变化实时改变，也就是说，一组柔性电极触点内的电流方向是实时变化的，各组柔性电极触点之间的电流方向也各不相同；所述的柔性基材为橡胶或硅胶材料制成；
便携式蓄电池还包括外壳，所述的蓄电模块和电能处理模块依次设置在所述的外壳内，所述的柔性电极的一端设置在外壳内，另一端向外露出；所述的外壳上覆盖有一层隔磁层；
所述的外壳上设有两个外接电极，两个所述的外接电极分别连接蓄电模块的正负极；
所述的电能处理模块包括整流二极管和变压器，所述的柔性电极连接整流二极管的输入端，所述的整流二极管的输出端连接变压器的输入端，所述的变压器的输出端连接蓄电模块；
所述便携式蓄电池与心率监测器搭配使用。
2.根据权利要求1所述一种以皮肤电为电源的便携式蓄电池，其特征在于，所述的蓄电模块为纽扣锌蓄电池、锂蓄电池或印刷蓄电池。
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2019
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