CN112798651B - 一种基于电磁感应的无源湿度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应的无源湿度检测系统，所述湿度检测系统包括湿度传感器，所述湿度传感器包括第一感应线圈和湿度响应单元，所述湿度响应单元与所述第一感应线圈形成导电回路，其中，所述湿度响应单元的阻抗随环境湿度的变化而变化；读出装置，所述读出装置包括第二感应线圈和阻抗测量单元，所述读出装置包括第二感应线圈和阻抗测量单元，所述阻抗测量单元用于向所述第二感应线圈输出第一交变电流，以使所述第二感应线圈与所述第一感应线圈耦合形成感应电流，并基于所述感应电流，获取所述湿度响应单元当前所处环境的湿度。本发明实施例的湿度检测系统，可利用电磁感应原理实现无线、无源湿度检测，且结构简单。

Description

一种基于电磁感应的无源湿度检测系统

技术领域

本发明涉及湿度检测技术领域，特别涉及一种基于电磁感应的无源湿度检测系统。

背景技术

湿度是一种重要的环境参数，湿度的检测和控制广泛应用于食品生产和存储、医药生 产和存储、环境监测以及医疗健康等诸多领域。

在食品存储领域，由于食品暴露在潮湿环境中容易变质，因此需要实时检测环境的湿 度，以保持环境的干燥，而且由于食品一般具有包装，因此一般需要在不破坏食品包装的 条件下对包装内部的食品环境湿度进行检测，即实现无线湿度检测，现有技术中利用无线 通信技术来实现无线湿度检测，但是该方法会使湿度检测装置的结构过于复杂，体积过大， 还增加了成本，不利于大规模应用。

在医疗健康领域，呼吸是一项人体重要的生命体征，情绪变化、哮喘、癫痫等众多生 理、病理过程都会在呼吸频率和波形上有所体现，因此，呼吸监测也是一种疾病预防与诊 疗的重要方法。湿度响应是呼吸监测的方法之一，然而，现有的湿度检测装置由于体积过 大，设计不够人性化等问题，大多会给患者带来不适感，影响患者的就医感受。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于电磁感应的无源湿度检测系统，可利用电 磁感应原理实现无线、无源湿度检测，具有较高的时间分辨率和灵敏度，且结构简单，成 本低，有利于大规模应用在微型湿度检测领域，尤其能够在物体密封状态下进行湿度检测， 在食品医药以及呼吸监测等领域具有很高的应用价值。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于电磁感应的无源湿度检测系统，包括： 湿度传感器，所述湿度传感器包括第一感应线圈和湿度响应单元，所述湿度响应单元与所 述第一感应线圈形成导电回路，其中，所述湿度响应单元的阻抗随环境湿度的变化而变化； 读出装置，所述读出装置包括第二感应线圈和阻抗测量单元，所述阻抗测量单元用于向所 述第二感应线圈输出第一交变电流，以使所述第二感应线圈与所述第一感应线圈耦合形成 感应电流，并基于所述感应电流，获取所述湿度响应单元的当前所处环境的湿度。

本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统，先通过阻抗测量单元向第二感应 线圈输出第一交变电流，使得第二感应线圈中有电流流过。进一步地，由于电磁感应效应， 与第二感应线圈相耦合的第一感应线圈中就会产生感应电流。由于湿度响应单元的阻抗随 环境湿度的变化而变化，而且第一感应线圈中的感应电流的大小随湿度响应单元的阻抗的 变化而变化，即上述感应电流的大小随环境湿度的变化而变化，因此阻抗测量单元可根据 第一感应线圈的感应电流，获取湿度响应单元的当前阻抗的环境湿度。由此，该检测系统 可利用电磁感应原理实现无线、无源湿度检测，具有较高的时间分辨率和灵敏度，且结构 简单，成本低，有利于大规模应用在微型湿度检测领域，尤其能够在物体密封状态下进行 湿度检测，在食品医药以及呼吸监测等领域具有很高的应用价值。

另外，根据本发明上述实施例提出的基于电磁感应的无源湿度检测系统还可以具有如 下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述湿度响应单元包括传感电极，所述传感电极含有湿度 响应材料。

在本发明的一个实施例中，所述湿度响应材料包括氧化石墨烯、氧化石墨炔或氯化锂。

在本发明的一个实施例中，所述阻抗测量单元包括：与所述第二感应线圈相连的阻抗 测量模块，用于检测所述感应电流，根据所述感应电流获取所述湿度检测系统的系统阻抗； 微控制模块，所述微控制模块与所述阻抗测量模块相连，用于控制向所述第二感应线圈输 出第一交变电流，并获取所述阻抗测量模块反馈的所述系统阻抗，以及根据所述第二感应 线圈的阻抗和所述系统阻抗确定所述湿度响应单元的当前阻抗，并根据所述湿度响应单元 的当前阻抗得到环境湿度。

在本发明的一个实施例中，所述阻抗测量单元还包括：通信模块，用于向上位机发送 所述环境湿度；

在本发明的一个实施例中，所述阻抗测量单元还包括：供电模块，用于为所述阻抗测 量模块、所述微控制模块和所述通信模块供电。

在本发明的一个实施例中，所述系统阻抗与所述湿度响应单元的阻抗之间存在如下对 应关系：

其中，Z_system为所述系统阻抗，R_electrode为所述湿度响应单元的阻抗，R_coil1为所述第一感 应线圈的电阻，L_coil1为所述第一感应线圈的电感，R_coil2为所述第二感应线圈的电阻,L_coil2为 所述第二感应线圈的电感，M为所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的互感系数，ω为 所述第一交变电流的角频率。

在本发明的一个实施例中，所述湿度响应单元的阻抗采用如下公式确定：

其中，R_electrode为所述湿度响应单元的阻抗，f为所述第一交变电流的频率，L_coil1为所 述第一感应线圈的电感，Z_system为所述系统阻抗，Z_coil2为所述第二感应线圈的阻抗。

在本发明的一个实施例中，所述湿度传感器和所述读出装置均通过柔性印刷电路实现。

在本发明的一个实施例中，所述阻抗测量单元可基于AD5933的阻抗转换芯片实现。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例一的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图，其 中，图2a为湿度传感器的俯视示意图，图2b为湿度传感器沿a-a线的剖面示意图，图2c 为第二感应线圈的俯视示意图，图2d为第二感应线圈沿b-b线的剖面示意图；

图3为根据本发明一个具体实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统的实物效果 图，其中，图3a为湿度传感器实物弯折效果图，图3b为湿度传感器和第二感应线圈实物效果图。

图4为根据本发明实施例二的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图；

图5为根据本发明实施例三的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图；

图6为根据本发明实施例四的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图；

图7为根据本发明具体实施例一的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行湿度检测的 数据图，其中，图7a为系统在距离为0，且在不同测试频率、不同湿度响应单元的电阻下 的阻抗响应数据图，图7b为系统在300kHz的固定测试频率，且在不同距离、不同湿度响应单元的电阻下的阻抗响应数据图，图7c为系统在不同湿度下的阻抗响应数据图，图7d为系统在一密闭容器内得到的湿度-时间数据图；

图8为根据本发明具体应用示例一的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行人体呼吸 监测的图，其中，图8a为进行人体呼吸监测的操作示意图，图8b为进行呼吸监测的口罩 的示意图，图8c为呼吸波形的数据图。

图9为根据本发明具体应用示例二的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行大鼠呼 吸监测的图，其中，图9a为进行大鼠呼吸监测的操作示意图，图9b为大鼠在正常麻醉状态下的呼吸波形数据图，图9c为大鼠在癫痫状态下的呼吸波形数据图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统。

实施例一

图1为根据本发明实施例一的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图。

如图1所示，本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统1000，包括湿度传感 器100和读出装置200。

其中，湿度传感器100包括第一感应线圈11和湿度响应单元12，湿度响应单元12与第一感应线圈11形成导电回路，其中，湿度响应单元12的阻抗随环境湿度的变化而变化。

读出装置200包括第二感应线圈21和阻抗测量单元22，阻抗测量单元22用于向第二 感应线圈21输出第一交变电流，以使第二感应线圈21与第一感应线圈11耦合形成感应电 流，并根据第一感应线圈11的感应电流，获取湿度响应单元12的当前阻抗的环境湿度。

上述湿度传感器100和读出装置200相互绝缘。

当利用上述湿度检测系统检测环境湿度时，先通过阻抗测量单元22向第二感应线圈21 输出第一交变电流，使得第二感应线圈21中有电流流过。进一步地，由于电磁感应效应， 与第二感应线圈21相耦合的第一感应线圈11中就会产生感应电流。由于湿度响应单元12 的阻抗随环境湿度的变化而变化，而且第一感应线圈11中的感应电流的大小随湿度响应单 元12的阻抗的变化而变化，即上述感应电流的大小随环境湿度的变化而变化，因此阻抗测 量单元22可根据第一感应线圈11的感应电流，获取对应于湿度响应单元12的当前阻抗的 环境湿度。

由此，该湿度检测系统不依据电磁谐振来进行湿度检测，测试频率不受谐振频率限制， 可以在较低频率下运行，对阻抗测量装置性能的要求较低，有利于缩小传感器尺寸并提高 采样率，可利用电磁感应原理实现无线、无源湿度检测，且结构简单，成本低，有利于大 规模应用在微型湿度检测领域，尤其能够在物体密封状态下进行湿度检测，在食品医药领 域具有很高的应用价值。

在本发明的一个实施例中，湿度响应单元12可包括传感电极，为了使湿度响应单元12 的阻抗随环境湿度的变化而变化，该传感电极含有湿度响应材料，进一步地，为了提高系 统的灵敏度，传感电极可为叉指电极。另外，湿度响应材料可包括氧化石墨烯、氧化石墨 炔或氯化锂，系统通过将氧化石墨炔等具有优异湿度响应特性的材料修饰在传感电极上， 可具有较高的时间分辨率和灵敏度。

在本发明的一个实施例中，湿度传感器100和读出装置200均可通过柔性印刷电路实 现，由此，该湿度检测系统可具有厚度薄、质量轻、配线密度高、弯折性好、可靠性高等优点。

在本发明的一个实施例中，阻抗测量单元22可基于AD5933的阻抗转换芯片实现。由 于AD5933采用了单片集成技术，可以大大减小阻抗测量单元22的体积，便于构建微型传感器件，有利于大规模应用在微型湿度检测领域，而且AD5933阻抗转换芯片得到的是阻抗的电阻和电感，大大简化了用户编程过程，节省了开发时间。

如图2和图3所示，湿度传感器100和第二感应线圈21都采用了柔性印刷电路，都采用聚酰亚胺和绝缘材料加工而成，湿度响应单元12可通过在第一感应线圈11的柔性电路上印刷叉指电极，在叉指电极表面沉金并修饰氧化石墨炔材料制备而成，制备工艺简单。

如图3所示，湿度传感器100和第二感应线圈21的结构简单，体积小，有利于大规模应用在微型湿度检测领域。

综上，本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统，首先可通过阻抗测量单元 向第二感应线圈输出第一交变电流，以使第二感应线圈21与第一感应线圈11耦合形成感 应电流，再通过阻抗测量单元根据第一感应线圈的感应电流，获取湿度响应单元的当前阻 抗的环境湿度。由此，该检测系统可利用电磁感应原理实现无线、无源湿度检测，具有较 高的时间分辨率和灵敏度，且结构简单，成本低，有利于大规模应用在微型湿度检测领域， 尤其能够在物体密封状态下进行湿度检测，在食品医药以及呼吸监测等领域具有很高的应 用价值。

实施例二

图4为根据本发明实施例二的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图。

在本发明的实施例二中，如图4所示，阻抗测量单元22可包括：阻抗测量模块221和微控制模块222。

其中，阻抗测量模块221与第二感应线圈21相连，用于检测第一感应线圈11的感应电流，并根据感应电流获取湿度检测系统的系统阻抗。微控制模块222与阻抗测量模块221相连，用于控制向第二感应线圈21输出第一交变电流，并获取阻抗测量模块221反馈的系统阻抗，以及根据第二感应线圈22的阻抗和系统阻抗确定湿度响应单元12的当前阻抗， 并根据湿度响应单元12的当前阻抗得到环境湿度。其中，第二感应线圈22的阻抗可根据 实际情况进行标定，可预先设置在阻抗测量单元22的存储空间中，例如，可预先存储在微 控制模块222中。

需要说明的是，由于湿度响应单元12的阻抗随环境湿度的变化而变化，因此阻抗测量 单元22可直接根据湿度响应单元12的当前阻抗，获取当前的环境湿度。

需要说明的是，该湿度检测系统的系统阻抗与湿度响应单元12的阻抗之间存在如下对 应关系：

其中，Z_system为系统阻抗，R_electrode为湿度响应单元12的阻抗，R_coil1为第一感应线圈11 的电阻，L_coil1为第一感应线圈11的电感，R_coil2为第二感应线圈21的电阻,L_coil2为第二感应线圈21的电感，M为第一感应线圈11和第二感应线圈21的互感系数，ω为第一交变 电流的角频率。

由公式(1)可知，在获取到系统阻抗后，对公式(1)进行变形，就可以采用如下公式(2)确定湿度响应单元12的阻抗：

其中，R_electrode为湿度响应单元12的阻抗，f为第一交变电流的频率，L_coil1为第一感应线圈11的电感，Z_system为系统阻抗，Z_coil2为第二感应线圈21的阻抗。

当利用上述湿度检测系统检测环境湿度时，先通过微控制模块222向第二感应线圈21 输出第一交变电流，使得第二感应线圈21中有电流流过，由于电磁感应效应，与第二感应 线圈21相耦合的第一感应线圈11中就会产生感应电流，再通过阻抗测量模块221检测第 一感应线圈11的感应电流，并根据感应电流获取湿度检测系统的系统阻抗，然后通过微控 制模块222获取阻抗测量模块221反馈的系统阻抗，以及根据第二感应线圈22的阻抗、系统阻抗和公式(2)确定湿度响应单元12的当前阻抗，最后根据湿度响应单元12的当前阻 抗得到环境湿度。

其中，根据湿度响应单元12的当前阻抗得到环境湿度，可通过环境湿度-湿度响应单 元阻抗的校正曲线得到，该校正曲线可根据实际情况标定得到，可预先设置在阻抗测量单 元22的存储空间中，例如，存储在微控制模块222中。

实施例三

图5为根据本发明实施例三的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图。

如图5所示，在本发明的实施例三中，基于电磁感应的无源湿度检测系统1000中还包 括上位机300。读出装置200还与上位机300连接，阻抗测量单元22还包括通信模块223，用于向上位机300发送环境湿度，使系统能够实现湿度检测结果的长距离传输。其中，通 信模块223可为无线通信模块，以实现湿度检测结果的无线传输，具有成本低，灵活性高， 性能稳定等优点。

实施例四

图6为根据本发明实施例四的基于电磁感应的无源湿度检测系统的示意图。

如图6所示，在本发明的实施例四中，阻抗测量单元22还包括供电模块224，用于为阻抗测量模块221、微控制单元222和通信模块223供电。

需要说明的是，本发明实施例二、三、四的基于电磁感应的无源湿度检测系统中未披 露的细节，请参照本发明实施例一的基于电磁感应的无源湿度检测系统中所披露的细节， 这里不再赘述。

综上，本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统，可先通过微控制模块向第 二感应线圈输出第一交变电流，以使第二感应线圈与第一感应线圈耦合形成感应电流，再 通过阻抗测量模块检测第一感应线圈的感应电流，并根据感应电流获取湿度检测系统的系 统阻抗，然后通过微控制模块获取阻抗测量模块反馈的系统阻抗，以及根据第二感应线圈 的阻抗、系统阻抗确定湿度响应单元的当前阻抗，最后根据湿度响应单元的当前阻抗得到 环境湿度。

由此，该检测系统可利用电磁感应原理实现无线、无源湿度检测，具有较高的时间分 辨率和灵敏度，且结构简单，成本低，有利于大规模应用在微型湿度检测领域，尤其能够在物体密封状态下进行湿度检测，在食品医药以及呼吸监测等领域具有很高的应用价值。

本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统可用于湿度检测。其中，基于电磁 感应的无源湿度检测系统可为上述实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统，如图4所 示，湿度响应单元12可包括叉指电极。

基于本发明实施例二的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行湿度检测时，可利用阻 抗测量参数θ来获取环境湿度，θ可采用如下公式确定：

其中，Z_system为系统阻抗，Z_coil2为第二感应线圈的阻抗，L_coil1为第一感应线圈的电感。

上述结论可通过进行系统阻抗响应测试来证明，具体证明过程包括以下步骤：

S101，将湿度响应单元12的叉指电极用导线分别引出，其中，叉指电极不含有湿度响 应材料。

S102，将湿度传感器100与第二感应线圈21紧密贴合。

S103，将叉指电极引出的导线与不同阻值的定值电阻(相当于湿度响应单元12的电阻) 相连，然后可通过读出装置200得到不同测试频率下的系统阻抗曲线，即可得到系统在距 离为0(湿度传感器100与第二感应线圈21之间的距离为0)，且在不同测试频率、不同湿 度响应单元12的电阻下的阻抗响应数据图，如图7a所示。

S104，改变湿度传感器100与第二感应线圈21之间的距离，并改变上述定值电阻的阻 值(相当于改变湿度响应单元12的电阻的阻值)，然后可通过读出装置200得到固定测试频率下的系统阻抗曲线，例如可得到系统在300kHz的固定测试频率，且在不同距离(湿度传感器100和第二感应线圈21之间的距离)、不同湿度响应单元12的电阻下的阻抗响应数据图，如图7b所示。

根据湿度检测系统阻抗响应结果，并结合公式(1)可知，该系统在固定频率下，复平 面内系统阻抗值与第二感应线圈阻抗连线与实轴夹角θ，为一与湿度响应单元阻抗相关且 与叉指电极距离无关的参量，可以作为阻抗测量参数。

需要说明的是，上述证明过程中未披露的细节，请参照本发明上述实施例的基于电磁 感应的无源湿度检测系统中所披露的细节，这里不再赘述。

因此，在基于本发明实施例二的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行湿度检测时， 可先通过微控制模块222向第二感应线圈21输出第一交变电流，使得第二感应线圈21中 有电流流过，进一步地，由于电磁感应效应，与第二感应线圈21相耦合的第一感应线圈11中就会产生感应电流，再通过阻抗测量模块221检测第一感应线圈11的感应电流，并 根据感应电流获取湿度检测系统的系统阻抗，然后通过微控制模块222获取阻抗测量模块221反馈的系统阻抗，以及根据第二感应线圈22的阻抗、系统阻抗和公式(3)，以确定阻 抗测量参数θ，最后根据阻抗测量参数θ得到环境湿度。

其中，根据阻抗测量参数θ得到环境湿度，可通过环境湿度-θ的校正曲线得到，该校 正曲线可根据实际情况标定得到，可预先设置在阻抗测量单元22的存储空间中，例如，存 储在微控制模块222中。

下面结合具体应用来描述基于本发明上述实施例中的基于电磁感应的无源湿度检测系 统进行湿度检测的方法，具体步骤如下：

S201，将湿度传感器100和第二感应线圈21放置于待测环境内，其中，第二感应线圈 21可与湿度传感器100间隔一定距离相对放置，湿度响应单元12的叉指电极上可修饰氧化石墨炔。

需要说明的是，待测环境可为开放空间，也可为密封空间，例如，待测环境可为密封 容器、密封包装盒等。当待测环境为密封空间时，可将湿度传感器100放置于密封空间内壁，可将第二感应线圈21放置于密封空间外壁且与湿度传感器100相对位置处，由此，该 湿度检测方法可在物体密封状态下进行湿度检测，在食品医药领域具有很高的应用价值。

S202，通过微控制模块222向第二感应线圈21输出第一交变电流，由于电磁感应效应， 与第二感应线圈21相耦合的第一感应线圈11中就会产生感应电流，再通过阻抗测量模块 221检测第一感应线圈11的感应电流，并根据感应电流获取湿度检测系统的系统阻抗。

S203，通过微控制模块222获取阻抗测量模块221反馈的系统阻抗，以及根据第二感 应线圈22的阻抗、系统阻抗和公式(3)确定阻抗测量参数θ。

S204，通过微控制模块222，根据得到的阻抗测量参数θ以及环境湿度-θ校正曲线，得到此时的环境湿度。

环境湿度-θ校正曲线可通过如下方式得到，先向待测环境内通入固定湿度气体，然后 执行步骤S201-S203，确定阻抗测量参数θ，改变通入气体的湿度并重复上述步骤，可得到 通入气体湿度(即此时的待测环境湿度)和其对应的阻抗测量参数θ的多组数据，最后根 据上述多组数据得到环境湿度-θ校正曲线。

作为本发明的一种可能方式，在基于本发明实施例二的基于电磁感应的无源湿度检测 系统进行湿度检测时，还可先执行上述步骤S201-S202，再然后通过微控制模块222获取 阻抗测量模块221反馈的系统阻抗，最后通过微控制模块222根据上述系统阻抗以及环境 湿度-系统阻抗校正曲线得到环境湿度。其中，环境湿度-系统阻抗校正曲线可根据实际情 况标定得到，可预先设置在阻抗测量单元22的存储空间中，例如，可存储在微控制模块222中。

需要说明的是，环境湿度-系统阻抗校正曲线可通过如下方式得到，先向待测环境内通 入固定湿度气体，然后执行步骤S201-S202，改变通入气体的湿度并重复上述步骤，可得 到通入气体湿度(即此时的待测环境湿度)和其对应的系统阻抗的多组数据，最后根据上 述多组数据得到环境湿度-系统阻抗校正曲线，如图7c所示。

作为本发明的一种可能方式，在进行湿度检测时，还可通过在湿度检测系统中安装计 时装置，以得到每个环境湿度数据对应的时刻，再根据湿度及其对应时刻的多组数据，可 得到环境湿度-时间数据图，如图7d所示。由此，该方法便于实时监测环境湿度随时间的 变化情况。

需要说明的是，上述基于本发明实施例二的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行湿 度检测的方法中未披露的细节，请参照本发明上述实施例的基于电磁感应的无源湿度检测 系统中所披露的细节，这里不再赘述。

综上，基于本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行湿度检测的方法， 可利用电磁感应原理实现无线、无源湿度检测，具有较高的时间分辨率和灵敏度，且结构 简单，成本低，有利于大规模应用在微型湿度检测领域，尤其能够在物体密封状态下进行 湿度检测，在食品医药领域具有很高的应用价值。

本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统可用于人体呼吸监测。其中，基于 电磁感应的无源湿度检测系统可为上述实施例中的基于电磁感应的无源湿度检测系统，如 图1所示。

如图8所示，可将本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统用于人体呼吸监 测，具体监测方法的步骤如下：

S301，将湿度传感器100放置于口罩10000内部，将读出装置200放置于口罩10000外部，如图8a、8b所示。

S302，待测人体带上口罩10000，并执行具体实施例一中的S201-S203步骤，得到的阻 抗测量参数θ可作为呼吸测量信号，进一步地，阻抗测量参数θ分析处理后可得到人体的呼 吸波形数据图，如图8c所示。

由图8c可知，该方法得到的人体的呼吸波形数据具有较高的时间分辨率和灵敏度。

综上，基于本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行人体呼吸监测的方 法，通过将湿度传感系统放置于口罩上，可利用电磁感应原理实现无线、无源人体呼吸监 测，具有较高的时间分辨率和灵敏度，且结构简单，成本低，有利于大规模应用于呼吸监 测领域，而且人性化程度高，改善了用户的使用感受。

本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统可用于动物呼吸监测。

如图9所示，可将本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统用于大鼠呼吸监 测，其中，基于电磁感应的无源湿度检测系统可为上述实施例中的基于电磁感应的无源湿 度检测系统，如图1所示。

具体监测方法的步骤如下：

S401，按照医用计量麻醉待测成年雄性Sprague Dawley(以下简称“SD”)大鼠(300-350g)，例如，可使用20％乌拉坦按照70mL/kg进行腹腔注射麻醉待测成年雄性SD 大鼠(300-350g)。

S402，将湿度传感器100置于待测SD大鼠口鼻附近，并执行具体实施例一中的S201-S203步骤，得到的阻抗测量参数θ可作为呼吸测量信号，进一步地，阻抗测量参数θ 分析处理后可得到SD大鼠的呼吸波形数据图，即可得到SD大鼠在正常麻醉状态下的呼吸 波形数据图，如图9b所示。

由图9b可知，该呼吸信号与SD大鼠胸腔起伏位移相距离对应，说明记录到的呼吸信 号真实有效。

S403，使用微量注射器400通过微注射管500向SD大鼠海马脑区局部注射红藻氨酸， 使其引发动物癫痫。

S404，将湿度传感器100置于SD大鼠口鼻附近，并执行具体实施例一中的S201-S203 步骤，得到的阻抗测量参数θ可作为呼吸测量信号，进一步地，阻抗测量参数θ分析处理后 可得到SD大鼠的呼吸波形数据图，即可得到SD大鼠在癫痫状态下的呼吸波形数据图，如 图9c所示。

由图9c可知，该呼吸信号与SD大鼠胸腔起伏位移相距离对应，说明记录到的呼吸信 号真实有效，而且结合图9b可知，该呼吸信号的频率明显加快，也与监测时SD大鼠处于癫痫状态相符合，也证明了该湿度检测系统具有较高的时间分辨率和灵敏度，可以进行呼吸监测。

综上，基于本发明实施例的基于电磁感应的无源湿度检测系统进行动物呼吸监测的方 法，可利用电磁感应原理实现无线、无源动物呼吸监测，具有较高的时间分辨率和灵敏度， 且结构简单，成本低，有利于大规模应用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、 “宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、 “水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径 向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便 于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以 特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以 明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个 或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固 定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以 是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可 以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可 以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第 一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或 斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、 “下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特 征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具 体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材 料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意 性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特 点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下， 本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特 征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于电磁感应的无源湿度检测系统，其特征在于，包括：

湿度传感器，所述湿度传感器包括第一感应线圈和湿度响应单元，所述湿度响应单元与所述第一感应线圈形成导电回路，其中，所述湿度响应单元的阻抗随环境湿度的变化而变化；

读出装置，所述读出装置包括第二感应线圈和阻抗测量单元，所述阻抗测量单元用于向所述第二感应线圈输出第一交变电流，以使所述第二感应线圈与所述第一感应线圈耦合形成感应电流，并基于所述感应电流，获取所述湿度响应单元当前所处环境的湿度；

所述阻抗测量单元包括：

与所述第二感应线圈相连的阻抗测量模块，用于检测所述感应电流，根据所述感应电流获取所述湿度检测系统的系统阻抗；

微控制模块，所述微控制模块与所述阻抗测量模块相连，用于控制向所述第二感应线圈输出第一交变电流，并获取所述阻抗测量模块反馈的所述系统阻抗，以及根据所述第二感应线圈的阻抗和所述系统阻抗确定所述湿度响应单元的当前阻抗，并根据所述湿度响应单元的当前阻抗得到环境湿度；

所述阻抗测量单元，还包括：

通信模块，用于向上位机发送所述环境湿度；

所述阻抗测量单元，还包括：

供电模块，用于为所述阻抗测量模块、所述微控制模块和所述通信模块供电；

所述系统阻抗与所述湿度响应单元的阻抗之间存在如下对应关系：

其中，Z_system为所述系统阻抗，R_electrode为所述湿度响应单元的阻抗，R_coil1为所述第一感应线圈的电阻，L_coil1为所述第一感应线圈的电感，R_coil2为所述第二感应线圈的电阻,L_coil2为所述第二感应线圈的电感，M为所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的互感系数，ω为所述第一交变电流的角频率；

所述湿度响应单元的阻抗采用如下公式确定：

其中，R_electrode为所述湿度响应单元的阻抗，f为所述第一交变电流的频率，L_coil1为所述第一感应线圈的电感，Z_system为所述系统阻抗，Z_coil2为所述第二感应线圈的阻抗。

2.根据权利要求1所述的湿度检测系统，其特征在于，所述湿度响应单元包括传感电极，所述传感电极含有湿度响应材料。

3.根据权利要求2所述的湿度检测系统，其特征在于，所述湿度响应材料包括氧化石墨烯、氧化石墨炔或氯化锂。

4.根据权利要求1所述的湿度检测系统，其特征在于，所述湿度传感器和所述读出装置均通过柔性印刷电路实现。

5.根据权利要求1所述的湿度检测系统，其特征在于，所述阻抗测量单元可基于AD5933的阻抗转换芯片实现。

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