CN111248920A - 一种基于柔性应变传感器的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性应变传感器的测量系统，包括用于感知待测关节的角度变化，并将待测关节的角度变化转化为电压信号输出给调理电路的采集电路、用于将所述电压信号进行滤波、放大和模数转换的调理电路以及用于解析所述电压信号中的角度变化数据的主控芯片，所述采集电路为多个可调电阻以及柔性应变传感器组成的可调电桥结构，所述多个可调电阻用于适配用于测量不同种类关节、不同阻值的柔性应变传感器通过设置可调电桥，可选用不同阻值的柔性应变传感器来测量不同种类的关节的弯曲角度，只要将可调电桥上的可调电阻阻值调成与柔性传感器阻值适配的阻值，就能保证输出电压最大值不变，从而提高测量系统的适用范围和精度。
Description
技术领域
本发明涉及肢体关节弯曲角度监测的技术领域，尤其涉及一种基于柔性应变传感器的测量系统。
背景技术
当代社会，人们越来越需要对人体活动进行实时监测，如何有效地将外部刺激转化为电信号是柔性可穿戴电子传感器监测身体健康状况的关键技术。在能与人体交互的诊疗电学设备中，监控人体运动的应力传感器备受瞩目，应变传感器的工作原理主要是通过应变过程中敏感材料之间的接触电阻变化或导电薄膜裂纹随应变发展而导致电阻变化而实现的。适用于监测大范围运动，例如手、胳膊和腿的弯曲运动的传感器必须具备优良的拉伸性和高灵敏度，而传统的基于金属和半导体的应力传感器不能胜任。所以，具备好的拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴电子传感器在运动监测领域至关重要。然而，实现柔性可穿戴电子传感器的高分辨、高灵敏、快速响应、低成本、扩大适用范围仍然是一个很大的挑战，如何保证检测结果的可靠性，如何实现可穿戴设备的便携性，也是亟待人们去研究解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于柔性应变传感器的测量系统，用以解决现有技术中柔性应变传感器检测关节弯曲角度不够灵敏，适用范围低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于柔性应变传感器的测量系统，包括采集电路、调理电路以及主控芯片，所述采集电路用于感知待测关节的角度变化，并将待测关节的角度变化转化为电压信号输出给调理电路，所述调理电路用于将所述电压信号进行滤波、放大和模数转换，并将滤波、放大和模数转换后的电压信号发送给所述主控芯片，所述主控芯片用于解析所述电压信号中的角度变化数据，所述采集电路为多个可调电阻以及柔性应变传感器组成的可调电桥结构，所述多个可调电阻用于适配用于测量不同种类关节、不同阻值的柔性应变传感器。
优选的，所述采集电路包括三个可调电阻和柔性应变传感器，所述三个可调电阻和柔性应变传感器构成单臂电桥，三个可调电阻均将阻值调成与柔性传感器阻值相同来适配柔性应变传感器。
优选的，还包括温度传感器，所述温度传感器与所述主控芯片连接，用于采集柔性应变传感器所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述主控芯片，所述主控芯片根据环境温度对解析出的角度变化数据进行补偿。
优选的，所述调理电路包括：滤波电路、放大和模数转换电路，所述滤波电路用于对所述可调电桥输出的电压信号进行滤波，并将滤波后的电压信号传输给所述放大和模数转换电路进行放大和模数转换，并将放大和模数转换后的电压信号发送给所述主控芯片。
优选的，还包括无线传输电路，所述无线传输电路的输入端与所述主控芯片的输出端连接，用于将解析处的角度变化数据无线传输给远程终端，供远程终端方的用户查阅。
优选的，所述柔性应变传感器通过固定组件紧密贴合在所述待测关节处，所述固定组件为袖套结构，包括：袖套本体以及设置在袖套本体上的安装孔，所述安装孔用于安装所述柔性应变传感器，所述袖套本体用于将所述安装孔固定在待测关节处以将安装孔内的柔性应变传感器固定在待测关节处。
优选的，所述袖套本体相对两端的上、中、下部位均设置有配套使用的系带，所述多条系带相互平行，且在远离所述袖套本体的一端设置有用于将所述袖套本体固定在所述待测关节处的尼龙搭扣。
优选的，所述安装孔的第一端及其相对的第二端均设置有固定夹，用于夹住所述柔性应变传感器相对的两端以将所述柔性应变传感器固定在所述安装孔内，且所述安装孔处设置有限位带，用于将所述柔性应变传感器限制在所述安装孔内，使所述柔性应变传感器紧贴着所述待测关节。
优选的，所述安装孔的形状和大小与采用的柔性应变传感器形状和大小一致，且所述限位带和安装孔处的材料由无弹性材料制成。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的一种基于柔性应变传感器的测量系统，通过设置可调电桥，可选用不同阻值的柔性应变传感器来测量不同种类的关节的弯曲角度，只要将可调电桥上的可调电阻阻值调成与柔性传感器阻值适配的阻值，就能保证输出电压最大值不变，从而提高测量系统的适用范围和精度。
2、在优选方案中，通过设置温度传感器来测量所述柔性应变传感器的环境温度，并根据环境温度来对测量的角度变化数据进行补偿，从而近一步的提高测量系统测量的角度变化精度。
3、在优选方案中，通过固定组件将所述柔性应变传感器与皮肤紧密贴合，可灵敏地感应到关节的角度变化，从而更近一步的提高测量系统测量的角度变化精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例二中的可调电桥；
图2为本发明优选实施例二中的袖套结构的展开图；
图3为本发明优选实施例二中的袖套穿戴示意图，(a)为手臂垂直状态主视图，(b)为手臂弯曲状态侧视图；
图4为本发明优选实施例二中的电路框架；
图中标注：1、柔性应变传感器；2、可调电阻；3、袖套本体；4、固定夹；5、系带；6、尼龙搭扣；7、限位带。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
本发明公开了一种基于柔性应变传感器的测量系统，包括采集电路、调理电路以及主控芯片，所述采集电路用于感知待测关节的角度变化，并将待测关节的角度变化转化为电压信号输出给调理电路，所述调理电路用于将所述电压信号进行滤波、放大和模数转换，并将所述滤波和数模转换后的电压信号发送给所述主控芯片，所述主控芯片用于解析所述电压信号中的角度变化数据，所述采集电路为多个可调电阻2以及柔性应变传感器1组成的可调电桥结构，所述多个可调电阻2用于适配用于测量不同种类关节、不同阻值的柔性应变传感器1。
本发明中的一种基于柔性应变传感器的测量系统，通过设置可调电桥，可选用不同阻值的柔性应变传感器1来测量不同种类的关节的弯曲角度，只要将可调电桥上的可调电阻2阻值调成与柔性传感器阻值适配的阻值，就能保证输出电压最大值不变，从而提高测量系统的适用范围和精度。
实施例二：
实施例二是实施例的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对所述基于柔性应变传感器1的测量系统的部件的结构和功能的进行了拓展：
如图1所示，本实施例中的测量系统的采集电路包括三个可调电阻2和柔性应变传感器1，三个可调电阻2和柔性应变传感器1组成单臂电桥，柔性应变传感器1经由其两端引出的导线连入电桥中，单臂电桥采用可调电阻2搭建，依据不同关节弯曲的最大角度不同，可选用不同阻值的柔性应变传感器1，电桥上的其它三个可调电阻2阻值相应调成与柔性传感器阻值相同。例如手肘关节的弯曲角度大于手腕处，运用在手肘处的传感器阻值就应该更大，从而保证输出电压最大值不变。
此外，在本实施例中，所述测量系统中还包括调理电路，所述调理电路包括滤波电路、放大和模数转换电路，所述滤波电路的输入端与所述可调电桥的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述放大和模数转换电路的输入端连接，所述放大和模数转换电路的输出端与所述主控芯片连接。
在本实施例中，滤波电路为低通滤波电路，放大与模数转换电路集成在一个芯片内实现，减少整个电路板体积。滤波电路选用一阶无源RC低通滤波器，在电桥输出的两端分别添加一个一阶无源RC低通滤波电路，使得截止频率为50Hz，然后再接入HX711模块的输入端。放大和模数转换电路选用HX711模块，内部集成24位高精度的A/D转换芯片和最高128倍增益可编程放大器。由于此电路用于关节测量，其输出电压值较大，故在实际运用中选用32倍放大即可。整个调理电路易于实现、稳定、成本低，主控芯片为STM32F103芯片。
如图4所示，柔性应变传感器1在感知到关节的角度弯曲变化后，将角度弯曲变化转换为相应的电阻变化，电阻变化经可调电桥(采集电路)转换为电压变化输出至滤波电路，滤波电路对从可调电桥输出的电压信号中的噪音电压起抑制作用，从而增加信噪比，防止有用信号失真，再结合算法滤波，提高数据采集的真实性、有效性。经过滤波电路滤波后的电压信号传输至放大与模数转换电路进行放大和数模转换为数字信号，发送给所述主控芯片解析所述电压信号中的角度变化数据。
此外，在本实施例中，还包括数字温度传感器，所述数字温度传感器与所述主控芯片连接，用于采集柔性应变传感器1所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述主控芯片，所述主控芯片根据环境温度对解析出的角度变化数据进行补偿。
数字温度传感器通过SPI总线将采集的信号传给微处理器MCU(即主控芯片)，把温度传感器放置在恒温箱中，在-10℃至50℃之间每1℃采集温度数据，共61个数据点，每个数据点采集200-500个温度值，然后取平均值，以25℃测量值为标准来校准温度漂移带来的非线性度，进一步提高传感器的精度。
此外，在本实施例中，所述测量系统还包括无线传输电路，所述无线传输电路的输入端与所述主控芯片的输出端连接，用于根据主控芯片的指令将主控芯片输出的补偿后的角度变化数据无线传输给远程终端，供远程终端的用户查阅。
此外，主控芯片还可以通过无线传输电路把角度变化数据上传至云平台，在云平台依据事先约定的协议将485信号转换成所需数据格式，同时绘制折线图，使结果展示更加直观，实现随时随地查看数据。
在本实施例中，如图2至图3所示，所述柔性应变传感器1通过固定组件紧密贴合至待测关节处，所述固定组件为袖套结构，袖套结构平展时包括一个长方形的、具有弹性的袖套本体3以及设置在袖套本体3两端及中间的系带5，使用时通过系带5将袖套本体3固定在关节处，系带5两端为尼龙搭扣6，用来粘接。袖套正中有一个日字形安装孔，即被一根限位带7划分为两个开口，上口上端有一个固定夹4，下口下端有一个固定夹4，用来固定应变传感器两端。两个开口中间的限位带7与袖套材料不同，为无弹性织物，可防止中间系带5绑上时袖套被拉扯变形导致传感器被压缩。所用固定夹4的材料可以为塑料、金属，厚度较薄，约为1-3mm，固定夹4下半部分(贴近皮肤部分)比上半部分更薄，约为0.1-0.5mm。柔性应变传感器1为长方形状，刚好上端被袖套上端固定夹4夹住，下端被下端的固定夹4夹住，夹住后的柔性应变传感器1处于既不被拉伸也不被压缩的自然状态。柔性应变传感器1与袖套结构并非一一对应，同一袖套结构可随时更换不同柔性应变传感器1，当然，同一传感器也可用于不同袖套，适用性强，防止一方损坏而导致另一方也无法使用。袖套宽度为2-3cm，不会将整个关节包裹，从而不会妨碍关节处的运动。
采用中间有日字形中空的袖套结构，柔性应变传感器1用固定夹4固定在袖套本体3中空处，与皮肤紧密贴合，可灵敏地感应到关节的角度变化。这种角度变化被柔性应变传感器1感知后转换为相应的电阻变化，电阻变化经可调电桥转换为电压变化，然后经后续处理使信号更加稳定，再发送给主控芯片，在此处结合温度传感器上传的数据，使调理后的信号能够更加精确地反应关节角度变化，最后无线传输至云平台，就可以随时随地查看数据结果。整个关节测量系统结构简单，易于实现，成本低廉，测量结果精确、实时、稳定，而且方便携带。
综上所述，本发明中的一种基于柔性应变传感器1的测量系统，通过设置可调电桥，可选用不同阻值的柔性应变传感器1来测量不同种类的关节的弯曲角度，只要将可调电桥上的可调电阻2阻值调成与柔性传感器阻值适配的阻值，就能保证输出电压最大值不变，从而提高测量系统的适用范围和精度。
在优选方案中，通过设置温度传感器来测量所述柔性应变传感器1的环境温度，并根据环境温度来对测量的角度变化数据进行补偿，从而近一步的提高测量系统测量的角度变化精度。
在优选方案中，通过固定组件将所述柔性应变传感器1与皮肤紧密贴合，可灵敏地感应到关节的角度变化，从而更近一步的提高测量系统测量的角度变化精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于柔性应变传感器的测量系统，包括采集电路、调理电路以及主控芯片，所述采集电路用于感知待测关节的角度变化，并将待测关节的角度变化转化为电压信号输出给调理电路，所述调理电路用于将所述电压信号进行滤波、放大和模数转换，并将滤波、放大和模数转换后的电压信号发送给所述主控芯片，所述主控芯片用于解析所述电压信号中的角度变化数据，其特征在于，所述采集电路为多个可调电阻以及柔性应变传感器组成的可调电桥结构，所述多个可调电阻用于适配用于测量不同种类关节、不同阻值的柔性应变传感器。
2.根据权利要求1所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，所述采集电路包括三个可调电阻和柔性应变传感器，所述三个可调电阻和柔性应变传感器构成单臂电桥，三个可调电阻均将阻值调成与柔性传感器阻值相同来适配柔性应变传感器。
3.根据权利要求2所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器与所述主控芯片连接，用于采集柔性应变传感器所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述主控芯片，所述主控芯片根据环境温度对解析出的角度变化数据进行补偿。
4.根据权利要求3所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，所述调理电路包括：滤波电路、放大和模数转换电路，所述滤波电路用于对所述可调电桥输出的电压信号进行滤波，并将滤波后的电压信号传输给所述放大和模数转换电路进行放大和模数转换，并将放大和模数转换后的电压信号发送给所述主控芯片。
5.根据权利要求4所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，还包括无线传输电路，所述无线传输电路的输入端与所述主控芯片的输出端连接，用于将解析处的角度变化数据无线传输给远程终端，供远程终端方的用户查阅。
6.根据权利要求1至5中任意一项中所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，所述柔性应变传感器通过固定组件紧密贴合在所述待测关节处，所述固定组件为袖套结构，包括：袖套本体以及设置在袖套本体上的安装孔，所述安装孔用于安装所述柔性应变传感器，所述袖套本体用于将所述安装孔固定在待测关节处以将安装孔内的柔性应变传感器固定在待测关节处。
7.根据权利要求6所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，所述袖套本体相对两端的上、中、下部位均设置有配套使用的系带，所述多条系带相互平行，且在远离所述袖套本体的一端设置有用于将所述袖套本体固定在所述待测关节处的尼龙搭扣。
8.根据权利要求7所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，所述安装孔的第一端及其相对的第二端均设置有固定夹，用于夹住所述柔性应变传感器相对的两端以将所述柔性应变传感器固定在所述安装孔内，且所述安装孔处设置有限位带，用于将所述柔性应变传感器限制在所述安装孔内，使所述柔性应变传感器紧贴着所述待测关节。
9.根据权利要求8所述的基于柔性应变传感器的测量系统，其特征在于，所述安装孔的形状和大小与采用的柔性应变传感器形状和大小一致，且所述限位带和安装孔处的材料由无弹性材料制成。
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