CN110932793A - 适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，属于人体通信技术领域。本发明的目的是提供一种适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，该复合式电极可实现电流/电容耦合信号传输方式快速自由切换。该复合式电极内部包括电流/电容耦合信号电极，电流耦合地电极，电容耦合地电极等，其中信号电极为两种模式共用，通过外部模拟开关对两种模式进行切换。该复合式电极机械结构可变，通过滑动导轨装置以及螺纹柱，调节电流耦合模式信合电极和地电极的距离以及电容耦合模式地电极的面积。

Description

适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极
技术领域
本发明涉及一种适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，属于人体通信技术领域。
背景技术
人体通信(Intra-Body Communication,IBC)是一种非射频无线通信技术，该技术是以人体为信号传输介质的数据通信技术，相比于目前的短距离无线通信技术(如蓝牙、ZigBee等)，该技术具有低功耗、抗干扰、高速率等优势。在安全性方面，人体通信采用远低于国际电信联盟(International Telecommunication Union)安全标准的微弱电信号传输，其安全性已得到国际电气和电子工程师协会(IEEE,Institute of Electrical andElectronics Engineers)的认可。在2012年IEEE正式批准的面向个人区域网络(PAN，Personal Area Network)的IEEE 802.15.6标准中，人体通信技术被指定为物理层的一种重要通信方式。
人体通信技术在信息交互、个人区域网络、网络接入、云计算、生理信息监测等领域具有多种潜在的应用。例如：两个人只需握一下手，即可交换电子名片；消费者仅需将手伸向自动售货机，即可完成小额支付等。
目前，人体通信主要包括电流耦合和电容耦合两种模式。其中，电流耦合模式单纯以人体为介质实现差分信号传输，基于此种人体通信模式，相对于空气介质，人体皮肤、脂肪和肌肉的电导率σ远大于其工作角频率ω与介电常数ε的积(σ>>ωε)，从而导致传输信号不易受周围环境的电磁干扰，具有良好的保密性；电容耦合模式的人体通信是通过发射端或接收端的两个电极分别于人体和地进行电容耦合来确定回路。相比于电流耦合，电容耦合发射端地电极不与人体直接接触，其与信号电极之间的耦合回路相对较弱。因此，其信号衰减相对较小。已有研究表明：在穿戴式人体通信中，同等条件下电容耦合型人体通信的信号衰减较电流耦合型人体通信低约20dB。然而，电容耦合的回路存在于空气中，人体姿态和周围电磁环境易干扰信号，探测难度增大，因此，针对不同的应用环境，选择合适的通信模式(通信电极)尤为关键。
另一方面，已有研究表明，电流耦合式电极或电容耦合式电极的形式和大小都会影响系统信号的衰减，例如，地电极大小，信号电极和地电极间隔等。同时，电极与皮肤之间的粘接程度与系统信道阻抗相关，电极的不稳定会影响系统信号的接收幅度。上述影响对构建具有稳定性，高效率，高传输速率的通信系统有不良影响。因此，设计、构建、使用具有高稳定性的复合式电流/电容耦合式电极是研究人体通信技术的关键问题之一。进一步，为了得到不同电极参数下的最优信号传输特性，构建不同电极形式的人体通信系统成本极大，并增加了研究周期。
由于上述原因，目前已有的人体通信电极，在不同应用和研究条件下，不能满足实现短时间，低成本的快速测量。同时，不停更换电极会使电极和皮肤之间的阻抗发生改变，不利于研究测量实验得到准确数据，亦导致人体通信系统不稳定。对人体通信系统的系统优化增加了困难。基于上述原因，构建适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极极为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，该复合式电极可实现电流/电容耦合信号传输方式快速自由切换。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，包括：柔性固定带、绝缘层、电容耦合下层地电极、电容耦合上层地电极、第一螺纹柱、第二螺纹柱、第三螺纹柱、第四螺纹柱、电流/电容耦合信号电极引线，电流耦合地电极引线，电容耦合地电极引线，电容耦合地电极直线运动导轨，电流耦合地电极直线运动导轨，电容耦合地电极金属圆柱部分，标准电信号接口，电流/电容耦合信号电极，电流耦合地电极，模拟开关，电流/电容耦合信号电极固定螺纹柱，电流耦合地电极固定螺纹柱，电流/电容耦合信号电极螺纹孔，电流耦合地电极螺纹孔。
电容耦合上层地电极、电容耦合下层地电极和绝缘层依次固定连接；柔性固定带安装在绝缘层另一侧；沿电容耦合上层地电极向内开设三个通槽，分别用于放置螺纹柱；所述第一螺纹柱和第二螺纹柱位于同一通槽中；第三螺纹柱和第四螺纹柱分别位于另外两个通槽；所述通槽中安装有导轨，所述螺纹柱能够沿着导轨滑动，通过滑动螺纹柱，实现上下层电容耦合地电极面积可变、电流/电容耦合信号电极和电流耦合地电极间距可变。电流/电容耦合信号电极引线、电流耦合地电极引线、电容耦合地电极引线顶部含有模拟开关，能够实现电流耦合与电容耦合信号传输方式相互转换。
工作过程：通过柔性固定带将装置固定在人体上，通过模拟开关设置耦合模式；其中电流/电容耦合信号电极为两种模式共用，通过电流/电容耦合螺纹柱、标准电信号接口、电流/电容耦合信号电极引线，实现馈源；如为电流耦合模式，电流耦合地电极通过电流耦合地电极螺纹柱、标准电信号接口、电流耦合地电极引线，实现馈源，通过滑动导轨装置，滑动第一螺纹柱、第二螺纹柱，以达到改变电流耦合信号电极和地电极的距离；如为电容耦合模式，通过电容耦合地电极金属圆柱部分、标准电信号接口、电容耦合地电极引线，实现馈源，通过滑动导轨装置，滑动第三螺纹柱、第四螺纹柱，以达到改变电容耦合地电极的面积；标准电信号接口实现信号馈源入相应电极。通过模拟开关，以达到电流/电容耦合快速自由切换。
有益效果：
(1)基于本发明的方法，通过模拟开关设定电流/电容耦合人体通信模式，可实现基于人体通信的复合式电流/电容耦合信号传输方式互易，在不同的应用环境下实现电流/电容耦合模式快速转换，提高了人体通信系统的测量效率。
(2)电流/电容耦合型人体通信的复合式电极能够在实验中提供一种稳定、快速的测量方法。对于电流/电容耦合模式对比实验，无需通过人工进行电极的更换，直接通过外部开关控制电流/电容耦合模式的切换，在实验结果中，两种测试的结果能够进行有效的比较，便于做人体通信对比实验研究。
(3)根据本发明的方法，电流/电容耦合型人体通信的复合式电极的几何结构可变，通过滑动螺纹柱，可以调节电流耦合模式的信号电极和地电极的距离以及电容耦合地电极的面积，能够起到优化人体通信系统的目的。同时，电极几何参数可调节，便于对人体通信过程进行量化研究。
附图说明
图1为本发明实施例适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极示意图；
图2为本发明实施例适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极三维结构图；
图3为本发明实施例适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极结构左视图。
其中，1—柔性固定带、2—绝缘层、3—电容耦合下层地电极、4—电容耦合上层地电极、5—第一螺纹柱、6—第二螺纹柱、7—第三螺纹柱、8—第四螺纹柱、9—电流/电容耦合信号电极，10—电流耦合地电极引线，11—电容耦合地电极引线，12—电容耦合地电极直线运动导轨，13—电流耦合地电极直线运动导轨，14—电容耦合地电极金属圆柱部分，15—标准电信号接口，16—电流/电容耦合信号电极，17—电流耦合地电极，18—模拟开关，19—电流/电容耦合信号电极固定螺纹柱，20—电流耦合地电极固定螺纹柱，21—电流/电容耦合信号电极螺纹孔，22—电流耦合地电极螺纹孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
实施例1
适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，包括：柔性固定带1、绝缘层2、电容耦合下层地电极3、电容耦合上层地电极4、第一螺纹柱5、第二螺纹柱6、第三螺纹柱7、第四螺纹柱8、电流/电容耦合信号电极引线9，电流耦合地电极引线10，电容耦合地电极引线11，电容耦合地电极直线运动导轨12，电流耦合地电极直线运动导轨13，电容耦合地电极金属圆柱部分14，标准电信号接口15，电流/电容耦合信号电极16，电流耦合地电极17，模拟开关18，电流/电容耦合信号电极固定螺纹柱19，电流耦合地电极固定螺纹柱20，电流/电容耦合信号电极螺纹孔21和电流耦合地电极螺纹孔22；
电容耦合上层地电极4、电容耦合下层地电极3和绝缘层2依次固定连接；柔性固定带1安装在绝缘层2另一侧；沿电容耦合上层地电极4向内开设三个通槽，分别用于放置螺纹柱；所述第一螺纹柱5和第二螺纹柱6位于同一通槽13中，螺纹柱底端分别通过电流/电容耦合信号电极16和电流耦合地电极17固定，螺纹柱上端通过相应螺母固定；该通槽正下方柔性固定带外侧为电流/电容耦合信号电极16和电流耦合地电极17，所述电极分别含有螺纹孔(21,22)，通过第一螺纹柱、第二螺纹柱分别对所述电极进行固定，可以固定不同大小、不同材料的电极，其中，电流/电容耦合信号电极16为两种模式共用，通过电流/电容耦合螺纹柱5、标准电信号接口15、电流/电容耦合信号电极引线9实现馈源，信号源为人体可承受的电流或电压信号，电流耦合地电极17提供电流耦合模式下的参考地电位，通过电流耦合地电极螺纹柱6，标准电信号接口15，电流耦合地电极引线10实现馈源；
第三螺纹柱7和第四螺纹柱8分别位于另外两个通槽12中，可自行设定，螺纹柱底端与下层电容耦合地电极3铆接，螺纹柱上端通过相应螺母固定；作为本发明使用的电容耦合地电极，分为上下两层，主要作用为实现电容耦合地电极面积可变，其中，上层电容耦合地电极焊接一金属圆柱14，用于电信号馈源，通过电容耦合地电极金属圆柱部分14，标准电信号接口15，电容耦合地电极引线11实现馈源，电容耦合地电极引线11提供电容耦合模式下的参考地电位。
所述通槽中皆安装有导轨，所述螺纹柱能够沿着导轨滑动，通过滑动第一螺纹柱、第二螺纹柱，实现电流/电容耦合信号电极和电流耦合地电极间距可变，通过滑动第三螺纹柱、第四螺纹柱实现上下层电容耦合地电极面积可变。电流/电容耦合信号电极引线9，电流耦合地电极引线10，电容耦合地电极引线11顶部含有模拟开关18，能够实现电流耦合与电容耦合信号相互转换。15为标准电信号接口，例如BNC，TNC，SMA接口等，实现信号馈源入相应电极。
柔性固定带1为可伸缩材料，主要作用为固定于人体某一部位，实现信号稳定耦合入人体。本发明使用的绝缘材料2，绝缘层材料为大阻抗电介质，主要作用是隔离在电容耦合模式下的电流/电容耦合信号电极和电容耦合地电极。对构成上述电极的绝缘材料没有特别限定，只要是柔性电介质即可。例如可以是天然橡胶，环氧树脂等。对构成上述电极的金属材料没有特别限定，只要是具有导电性的金属即可。例如可以是铜、铝、银-氯化银混合物或者其他金属，合金等。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.适用于电流/电容耦合型人体通信的复合式电极，其特征在于：包括：柔性固定带(1)、绝缘层(2)、电容耦合下层地电极(3)、电容耦合上层地电极(4)、第一螺纹柱(5)、第二螺纹柱(6)、第三螺纹柱(7)、第四螺纹柱(8)、电流/电容耦合信号电极引线(9)，电流耦合地电极引线(10)，电容耦合地电极引线(11)，电容耦合地电极直线运动导轨(12)，电流耦合地电极直线运动导轨(13)，电容耦合地电极金属圆柱部分(14)，标准电信号接口(15)，电流/电容耦合信号电极(16)，电流耦合地电极(17)，模拟开关(18)，电流/电容耦合信号电极固定螺纹柱(19)，电流耦合地电极固定螺纹柱(20)，电流/电容耦合信号电极螺纹孔(21)和电流耦合地电极螺纹孔(22)；
电容耦合上层地电极(4)、电容耦合下层地电极(3)和绝缘层(2)依次固定连接；柔性固定带(1)安装在绝缘层(2)另一侧；沿电容耦合上层地电极(4)向内开设三个通槽，分别用于放置螺纹柱；所述第一螺纹柱(5)和第二螺纹柱(6)位于同一通槽中；第三螺纹柱(7)和第四螺纹柱(8)分别位于另外两个通槽；所述通槽中安装有导轨，所述螺纹柱能够沿着导轨滑动，通过滑动螺纹柱，实现上下层电容耦合地电极面积可变、电流/电容耦合信号电极和电流耦合地电极间距可变；电流/电容耦合信号电极引线(9)、电流耦合地电极引线(10)、电容耦合地电极引线(11)顶部含有模拟开关(18)，能够实现电流耦合与电容耦合信号传输方式相互转换。
2.采用如权利要求1所述的复合式电极进行电流/电容耦合快速自由切换的方法，其特征在于：通过柔性固定带(1)将装置固定在人体上，通过模拟开关(18)设置电流/电容耦合模式；其中电流/电容耦合信号电极(16)为两种模式共用，通过电流/电容耦合螺纹柱(5)、标准电信号接口(15)、电流/电容耦合信号电极引线(9)，实现馈源；如为电流耦合模式，电流耦合地电极(17)通过电流耦合地电极螺纹柱(6)、标准电信号接口(15)、电流耦合地电极引线(10)，实现馈源，通过滑动导轨装置(13)，滑动第一螺纹柱(5)、第二螺纹柱(6)，以达到改变电流耦合信号电极和地电极的距离；如为电容耦合模式，通过电容耦合地电极金属圆柱部分(14)、标准电信号接口(15)、电容耦合地电极引线(11)，实现馈源，通过滑动导轨装置(13)，滑动第三螺纹柱(7)、第四螺纹柱(8)，以达到改变电容耦合地电极的面积；(15)为标准电信号接口，实现信号馈源入相应电极；通过模拟开关(18)，以达到电流/电容耦合快速自由切换。
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