CN112504110B - 一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，包括：形变量检测模块，由至少一个极板电容组成，每个所述极板电容均包括设置在柔性绝缘层两边的三角形的正极板以及三角形的负极板，所述负极板的一个角位于所述正极板在所述柔性绝缘层上的投影范围内；数据采集模块，与所述形变量检测模块相连；数据处理模块，用于接收所述数据采集模块输出的所述数字信号；以及供电模块。本发明的一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，正极板与负极板均为三角状，在柔性绝缘层拉伸的过程中正极板与负极板在所述柔性绝缘层上的投影面积变化显著，进而引起电容的迅速变化，极大的提高了检测的灵敏度。

Description

一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置。
背景技术
随着人们对于自己的身体健康的重视，尤其是女性对于自己体重的重视以及出门在外的子女对于父母心血管疾病的重视，为了使可穿戴设备更精准的检测人体的心跳、呼吸、腰围等身体特征，市场上急需一种灵敏度高的可穿戴设备的形变量的测量方法。
公告号CN105865536 A的发明专利公开了一种可拉伸测量形变与应力的弹性传感器，包括数据采集模块及弹性敏感元件，所述的数据采集模块包括多路数据采集线、单片机、供电模块及蓝牙智能芯片，所述的弹性敏感元件通过所述的多路数据采集线与所述的单片机连接，所述的单片机通过所述的蓝牙智能芯片外接智能终端的蓝牙数据接收装置；所述的弹性敏感元件包括第一弹性导电层、中间弹性绝缘层及第二弹性导电层构成，所述的第一弹性导电层及第二弹性导电层分别由粘结胶质粘结在所述的中间弹性绝缘层的两个面上，构成带状的平板电容结构，所述的平板电容结构与所述的数据采集模块连接。本发明对环境温度和体温的干扰不敏感，测量的精度高，适用于柔性形变和应力的测量。
以上发明专利虽然解决了柔性形变和应力的测量，但是由于平板电容的灵敏度不高，计算精度值仍达不到要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，正极板与负极板均为三角状，在柔性绝缘层拉伸的过程中正极板与负极板在所述柔性绝缘层上的投影面积变化显著，进而引起电容的迅速变化，极大的提高了检测的灵敏度。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，包括：形变量检测模块，由至少一个极板电容组成，每个所述极板电容均包括设置在柔性绝缘层两边的三角形的正极板以及三角形的负极板，所述正极板以及所述负极板为导电金属，所述负极板的一个角位于所述正极板在所述柔性绝缘层上的投影范围内；数据采集模块，与所述形变量检测模块相连，用于采集每个所述极板电容的电容值并将所述电容值转换为数字信号输出；数据处理模块，用于接收所述数据采集模块输出的所述数字信号，并将所述数字信号转换为电容值以及伸长量通过通信模块输出至显示模块；以及供电模块，为所述形变量检测模块、所述数据采集模块、所述数据处理模块以及所述通信模块提供电能。
进一步地，所述正极板通过所述正极板的三角形结构的一个顶点设置在所述柔性绝缘层的一面，所述负极板通过所述负极板的三角形结构的一个顶点设置在所述柔性绝缘层的另外一面；所述正极板以及所述负极板在所述柔性绝缘层上的投影面积小于所述正极板以及所述负极板的表面积之和。
进一步地，所述形变量检测模块由至少两个极板电容并联而成。
进一步地，所述柔性绝缘层为有机绝缘材料，所述有机绝缘材料聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或硅胶中的一种。
进一步地，所述数据采集模块为555定时器组成的电容测量电路，所述555定时器将所述形变量检测模块输出的电容值转换为振荡频率数据输出至所述数据处理模块，所述数据处理模块将输入的所述振荡频率数据转换为电容值以及伸长量输出。
进一步地，所述数据处理模块为51系列单片机。
进一步地，所述供电模块由锂电池及稳压电路构成，所述通信模块为蓝牙通信模块。
进一步地，所述显示模块设置在移动终端上。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明的一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，正极板与负极板均为三角状，在柔性绝缘层拉伸的过程中正极板与负极板在所述柔性绝缘层上的投影面积变化显著，且随织物拉伸变细引起的极板间距变小，进而引起电容的迅速变化，极大的提高了检测的灵敏度；所述测量装置受环境温度和湿度的影像较小，满足人体使用环境需求，可广泛的应用于血压、心跳、呼吸频率、腰围等实时监控。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置的结构图；
图2所示为本发明一实施例的极板电容的侧视图；
图3所示为本发明一实施例的极板电容的正极板与负极板位置关系俯视图；
图4所示为本发明一实施例的数据采集模块与形变量检测模块组成的测量电路图。
图中部件编号如下：
1形变量检测模块、11正极板、12负极板、13柔性绝缘层、2数据采集模块、3数据处理模块、4供电模块、5通信模块、6移动终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，如图1所示，包括：形变量检测模块1、数据采集模块2、数据处理模块3、供电模块4以及通信模块5，所述供电模块4为所述形变量检测模块1、所述数据采集模块2、所述数据处理模块3以及所述通信模块5提供电能。所述形变量检测模块1输出至所述数据采集模块2，所述数据采集模块2输出至所述数据处理模块3，所述数据处理模块3通过所述通信模块5输出至显示屏，所述显示屏设置在所述移动终端6上。
如图2所示，所述形变量检测模块1由至少一个极板电容组成，每个所述极板电容均包括设置在柔性绝缘层13两边的三角形的正极板11以及三角形的负极板12，所述正极板11以及所述负极板12为导电金属，所述负极板12的一个角位于所述正极板11在所述柔性绝缘层13上的投影范围内。所述正极板11和所述负极板12的形状也可以为菱形等其他形状，本发明优选三角形进行说明。所述柔性绝缘层13为有机绝缘材料，所述有机绝缘材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)或硅胶中的一种。当所述形变量检测模块1由两个以上的极板电容组成时所述数据处理模块3需要将输出至所述移动终端6的数据进行算术平均。
如图3所示，所述正极板11通过所述正极板11的三角形结构的一个顶点设置在所述柔性绝缘层13的一面，所述负极板12通过所述负极板12的三角形结构的一个顶点设置在所述柔性绝缘层13的另外一面，除了所述正极板11以及所述负极板12的固定点外，所述正极板11与所述负极板12的其他位置均可在所述柔性绝缘层13表面上自由移动，防止影响所述柔性绝缘层13的形变。所述正极板11以及所述负极板12在所述柔性绝缘层13上的投影面积小于所述正极板11以及所述负极板12的表面积之和。
所述数据采集模块2与所述形变量检测模块1相连，用于采集每个所述极板电容的电容值并将所述电容值转换为数字信号输出。如图4所示，所述数据采集模块2包括555定时器、电阻以及二极管，所述数据采集模块2与所述形变量检测模块(1)组成了555定时器组成的电容测量电路，所述555定时器将所述形变量检测模块1输出的电容值转换为振荡频率数据输出至所述数据处理模块3，所述数据处理模块3将输入的所述振荡频率数据转换为电容值以及伸长量输出。
所述数据处理模块3用于接收所述数据采集模块2输出的所述数字信号，并将所述数字信号转换为电容值以及伸长量通过通信模块5输出至显示模块。所述数据处理模块3为51系列单片机。
所述供电模块4由锂电池及稳压电路构成，所述通信模块5为蓝牙通信模块5。
本发明所述高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置的使用流程如下：
假设所述正极板11以及所述负极板12均为等边三角形，且在初始状态下所述正极板11的固定点与所述负极板12的固定点之间的间距为1mm。在所述柔性绝缘层13即可穿戴弹性物质受到外力拉扯的时候发生拉伸，所述正极板11向所述负极板12运动，所述负极板12向所述正极板11运动，从而所述极板电容交叠的面积S逐渐增大，由于柔性绝缘层13的拉伸引起厚度变小导致所述正极板11与所述负极板12的间距d逐渐的减小，最终引起电容值的增大。如图4所示，所述数据采集模块2采集电容值数据，电容值、电阻RA以及电阻RB的变化引起所述555定时器的振荡频率变化。所述数据采集模块2输出的振荡频率值F为：F＝1/((RA+2RB)Cln2)，其中C是电容值，ln2是常数。所述数据处理模块3根据接收的所述振荡频率计算出电容值，进而通过电容值测算出形变量，推导公式如下：
电容公式为：
Figure GDA0003647848670000051
那么两个三角形极板的交叠面积：
Figure GDA0003647848670000052
式中Δx为形变量，将式2中的S带入式1，得出；
Figure GDA0003647848670000053
假设极板间距1mm且在运动过程中保持不变，使用本发明与现有技术进行可穿戴弹性物质形变量的测量的获得的对比数据如下表1所示。
Figure GDA0003647848670000054
由表1可以看出使用本发明的三角形的正极板和三角形的度负极板进行测量的灵敏度更高。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，包括：
形变量检测模块（1），由至少一个极板电容组成，每个所述极板电容均包括设置在柔性绝缘层（13）两边的三角形的正极板（11）以及三角形的负极板（12），所述正极板（11）以及所述负极板（12）为导电金属，所述负极板（12）的一个角位于所述正极板（11）在所述柔性绝缘层（13）上的投影范围内；
数据采集模块（2），与所述形变量检测模块（1）相连，用于采集每个所述极板电容的电容值并将所述电容值转换为数字信号输出；
数据处理模块（3），用于接收所述数据采集模块（2）输出的所述数字信号，并将所述数字信号转换为电容值以及伸长量通过通信模块（5）输出至显示模块；以及
供电模块（4），为所述形变量检测模块（1）、所述数据采集模块（2）、所述数据处理模块（3）以及所述通信模块（5）提供电能；
所述正极板（11）通过所述正极板（11）的三角形结构的一个顶点设置在所述柔性绝缘层（13）的一面，所述负极板（12）通过所述负极板（12）的三角形结构的一个顶点设置在所述柔性绝缘层（13）的另外一面；所述正极板（11）以及所述负极板（12）在所述柔性绝缘层（13）上的投影面积小于所述正极板（11）以及所述负极板（12）的表面积之和。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，所述形变量检测模块（1）由至少两个极板电容并联而成。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，所述柔性绝缘层（13）为有机绝缘材料，所述有机绝缘材料聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或硅胶中的一种。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，所述数据采集模块（2）包括555定时器组成的电容测量电路，所述555定时器将所述形变量检测模块（1）输出的电容值转换为振荡频率数据输出至所述数据处理模块（3），所述数据处理模块（3）将输入的所述振荡频率数据转换为电容值以及伸长量输出。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，所述数据处理模块（3）为51系列单片机。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，所述供电模块（4）由锂电池及稳压电路构成，所述通信模块（5）为蓝牙通信模块。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度的可穿戴弹性物质形变量的测量装置，其特征在于，所述显示模块设置在移动终端（6）上。
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