CN112957030A - 一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，包括以下三个部分：能测量弯曲的柔性应变传感器，以STM32微控制器为核心的数据采集和传输集成电路，接收信号并显示输出的控制界面。柔性应变传感器编织成织物式或贴纸式紧贴颈椎部位皮肤，测得精确弯曲数据后输入到电路中，电路的测量模块接受信号并将其滤波、放大，信号经微控制器处理后，利用有线或无线传输技术输入到终端，终端界面上显示颈椎弯曲曲线，并保存历史记录以供用户参考。

Description

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统

技术领域

本发明属于可穿戴健康监测技术领域，具体涉及一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统。

背景技术

颈椎病及其并发症目前呈现出发病人群占比大，发病后不易治愈，并发症多且杂等现状，而颈椎病重在预防而非治疗，因此，人体颈椎健康监测和缓解早期轻微疼痛已经成为亟待解决的问题。近年来，通讯技术、低功耗电子技术、微纳加工技术以及数字健康领域的飞速进步不断推动着可穿戴设备的迭代更新。为了促进这一新型领域的发展，开发出适应形变、性能稳定的柔性设备是必要且紧迫的。与建立在硬质电路板基底上的传统电子设备不同，可穿戴智能装备在设计过程中需要具备的最主要特点是：能够承受反复弯曲、扭转和拉伸变形，而不引入显著的电学性能的降低。柔性可拉伸器件需要达到足够柔顺的机械性能，保证其与人体表面的良好接触，并且能够适应日常生活中各种肢体运动。

目前，用于颈椎监测的装备大多采用的是刚性传感器，如采用加速度传感器用于监测运动，间接监测颈椎弯曲；还有的装备采用几个柔性传感器融合测量颈椎弯曲，并在电路中设计振动模块用于提醒。然而，目前采用的刚性加速度计监测的是人体在运动过程中的颈椎弯曲，累计误差较大，对于久坐的人群没有效力，其佩戴方式也不符合大众需求，对用户工作生活造成不便。而多传感器融合对数据采集和处理要求较高，而且功耗较大。

综上所述，人们急需一种兼具颈椎弯曲角度测量、采集并传输数据以及实时显示和储存颈椎弯曲角度曲线的柔性可穿戴设备，特别是颈椎病频发且低龄化的今天，这种需求尤为迫切。

发明内容

本发明提供了一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，便捷易携。

为达到上述目的，本发明一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，包括依次连接的柔性应变传感器、数据采集和传输集成电路，以及接收集成电路信号并显示输出的终端；柔性应变传感器采用复合纳米纤维膜柔性传感器；数据采集和传输集成电路，包括测量模块、控制模块和通信模块，测量模块输入端与柔性应变传感器的输出端连接，接收柔性应变传感器的电阻信号，并传递至控制模块中；控制模块，用于接收测量模块的电阻信号，根据电阻信号计算电阻值，并根据电阻值计算出待测弯曲曲率值，并将平均电阻值和待测弯曲曲率值发送至通信模块中；通信模块，用于将接收到的平均电阻值和待测弯曲曲率值传递至终端。

进一步的，柔性应变传感器采用编织的方法镶嵌织物上形成织物式传感元件或贴纸式传感元件。

进一步的，控制模块每隔设定的时间根据电阻信号计算一次平均电阻值R，并根据平均电阻值R计算出待测弯曲曲率值K，K＝R×ε，ε为经验参数。

进一步的，设定时间为1s～2s。

进一步的，通信模块采用蓝牙通信和USB接口通信中的一种或两种的组合。

进一步的，终端在终端界面上通过QT中的drawCurve()语句制图以显示实时待测弯曲曲率值曲线，通过使用类QSqlTableModel操作SQLite数据库达到保存、查看、删除数据的目的，通过收发器将鼠标点击开启和停止按钮的信号反馈给信号处理和传输集成电路，以控制整个系统开启和停止。

进一步的，数据采集和传输集成电路还包括计时器，当弯曲曲率超过曲率阈值后，计时器开始工作，计时超过时间阈值后，数据采集和传输集成电路通过终端向用户发送警告信号。

进一步的，复合纳米纤维膜柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将质量分数为20％～25％的聚氨酯颗粒加入到由N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液混合而成的有机溶剂中，搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液；

步骤2、将聚氨酯纺丝溶液放入注射器中，并从注射器匀速推出，使聚氨酯纺丝溶液成纺丝液滴状，用高压电源在环境中加10kV-15kV的静电场，液滴在静电场的作用下形成稳定射流，射流最终沉积在集电极上，形成聚氨酯纤维膜；

步骤3、用去离子水将银纳米线分散液稀释并超声分散，将预拉伸到110％～120％的聚氨酯纤维膜放置在滤膜上，将超声分散后的银纳米线分散液用真空抽滤的方法在聚氨酯纤维膜上沉积一层银纳米线，形成复合纳米纤维膜；最后将复合纳米纤维膜放入真空干燥箱中干燥1.5h～2h，得到复合纳米纤维膜柔性应变传感器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所设计的用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，采用复合纳米纤维膜柔性传感器进行数据采集，复合纳米纤维膜柔性传感器可以织成织物式或者贴纸式，便捷易携，集成电路仅包括四个模块且模块间高度集成，电路简单且功耗小，整个系统可与便携式电子设备进行无线通信，不影响用户的正常生活，易于推广，具备较大的市场潜力。

本发明制成的织物式装备因其较好的拉伸性能，可与皮肤贴合紧密，能实时精确地测量到弯曲和拉伸，具备实时监测人体运动的能力，在人机接口、健康监测等智能可穿戴设备领域具有广泛的应用前景。

进一步的，控制模块每隔设定的时间根据电阻信号计算一次平均电阻值R，并根据平均电阻值R计算出待测弯曲曲率值K，既能持续测量待测弯曲曲率值K，又能一定程度上降低误差，且降低功耗。

进一步的，终端在终端界面上可显示实时待测弯曲曲率值曲线，且具有保存、查看、删除数据的功能，并且终端通过收发器将鼠标点击开启和停止按钮的信号反馈给数据采集和传输集成电路，以具备控制整个系统开启和停止的功能，使用户能够直观的查看待测弯曲曲率值，且方便用户操作。

进一步的，数据采集和传输集成电路还包括计时器，当弯曲角度超过角度阈值后，计时器开始工作，计时超过时间阈值后，数据采集和传输集成电路通过终端向用户发送警告信号，可实时监测佩戴者被测部位的动作幅度，并及时提醒用户，可防止佩戴者长时间处于不良的姿势下。

进一步的，本发明提供一种复合纳米纤维膜柔性传感器的制备方法，本发明所制备的柔性应变传感器由于聚氨酯纤维膜材料本身的良好拉伸性能，加上静电纺丝技术和真空抽滤技术形成的致密的网络状形态，可以达到200％以上的拉伸应变。预拉伸后弹性基底聚氨酯纤维膜的驰豫可以促进纳米纤维膜表面的褶皱结构的形成，减小了银纳米线形成的导电网络在弹性基底发生形变时受到的破坏；同时，通过高温退火提高了纳米线间及纳米线与弹性基底间的结合力，从而扩展了柔性应变传感器的应变传感范围。本发明设计开发的终端界面中只有开始检测和停止检测的按钮，以及上方的菜单栏，其余均采用曲线、图表的方式显示颈椎弯曲角度与时间的关系，界面直观简洁，便于人们调整久坐姿态和时间。

附图说明

图1为聚氨酯纳米纤维膜制备流程图；

图2为基于银纳米线的柔性薄膜应变传感器制备流程图；

图3为本发明电路组成示意图；

图4为软件界面和功能示意图；

图5为实施例2所制备聚氨酯纤维膜的表面SEM形貌表征；

图6为实施例3所制备的聚氨酯纤维膜的表面SEM形貌表征。

附图中：1、注射器，2、注射泵，3、高压电源，4、集电极，5、聚氨酯纤维膜，6、聚氨酯纺丝溶液，7、滤膜，8、银纳米线分散液，9、超声搅拌溶液，10、真空抽滤器，11、银纳米线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，至少包括以下三个部分：能测量弯曲的柔性应变传感器，以STM32微控制器为核心的数据采集和传输集成电路，接收信号并显示输出的终端界面。柔性应变传感器编织成织物式或贴纸式紧贴颈椎部位皮肤，测得传感器拉伸、弯曲产生的电阻信号后输入到数据采集和传输集成电路中，电路的测量模块接受信号并将其滤波、放大，信号经控制模块的微控制器处理后，利用有线或无线传输技术输入到终端，终端界面上显示颈椎弯曲曲线，并保存历史记录以供用户参考。

实施例1

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，包括柔性应变传感器、数据采集和传输集成电路，以及接收集成电路信号并显示输出的终端界面。

其中，柔性传感器采用复合纳米纤维膜柔性传感器。

一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将质量分数为20％～25％的聚氨酯颗粒加入到由N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮溶液混合而成的有机溶剂中，其中N,N-二甲基甲酰胺(DMF)质量分数为有机溶剂的75％～80％，丙酮溶液的质量分数为20％～25％，再使用磁力搅拌器搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液6。

步骤2、将聚氨酯纺丝溶液6放入注射器1中，注射器1在注射泵2的推动下匀速推出，其中注射器1的推动速度为5μL/min～10μL/min，使聚氨酯纺丝溶液6成纺丝液滴状，高压电源3输出的纺丝电压为10kV-15kV，用高压电源3在环境中加高压静电场，液滴在静电场的作用下形成稳定射流，由于电场力的高速拉伸、溶剂挥发和固化，射流最终沉积在集电极4上，形成聚氨酯纤维膜5，其中集电极4距注射器1的出口距离为8cm～10cm。

步骤3、如图2所示，使用100mL去离子水将银纳米线分散液8稀释得到超声搅拌溶液9并超声分散，其中银纳米线分散液中含有1mg～2mg银纳米线，稀释后的浓度为0.01mg/mL～0.02mg/mL，将预拉伸到110％～120％的聚氨酯纤维膜5放置在滤膜7上，将分散后的溶液使用真空器10在聚氨酯纤维膜5上沉积一层银纳米线11，形成复合纳米纤维膜。最后将复合纳米纤维膜放入真空干燥箱中干燥1.5h～2h，得到一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器。

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统中的数据采集和传输集成电路，其技术方案如下：

首先，柔性应变传感器的输出端和测量模块的输入端连接。

然后将上述柔性应变传感器作为信号采集模块，采用编织的方法镶嵌在横向双罗纹针织物上形成织物式传感元件或贴纸式传感元件，佩戴在测试者颈部，与测试者颈部皮肤紧密贴合，柔性传感器因颈椎弯曲而产生拉伸或压缩，拉伸或压缩后的电阻值有显著的规律变化。采用基于STM32为核心的数据采集与传输集成电路，将柔性传感器的电阻信号经滤波和放大后通过低功耗蓝牙无线通信模块或USB通信模块传输到终端。

如图3所示，数据采集和传输集成电路包括测量模块、控制模块、通信模块和电源模块。测量模块输入端与柔性传感器连接，接收传感器拉伸弯曲产生的电阻信号，输出端与控制模块连接，将从传感器中接收的电阻信号输出到控制模块中；控制模块输入端与测量模块输出端连接，接收测量模块的电阻信号，输出端与通信模块连接，控制模块中的微处理器每隔1s～2s计算一次平均电阻值，并将平均电阻值输到通信模块中；通信模块一端与控制模块连接，接收控制模块的数据，另一端与终端进行有线连接或者无线连接传输数据到终端；上述三个模块均与电源模块并联连接，以满足供电需求。

测量模块接受传感器电阻信号，经滤波放大后得到电阻信号。

控制模块以STM32微控制器为核心，通过微控制器中集成的A/D模块采集测量模块输出的弯曲或拉伸产生的电阻信号，每隔1s～2s计算一次平均电阻值R，然后使用经验公式计算出待测弯曲曲率值，计算公式为K＝R×ε，其中K为弯曲曲率，R为每秒平均电阻值，ε为经验参数。控制模块中的STM32微控制器还可以控制整个系统的开启和关闭。

通信模块包括无线通信和有线通信两种方式，分别用于无线终端和有线终端。无线通信方式包括但不限于蓝牙通信，无线通信用于电路与手机端等无线终端通信，有线通信方式包括但不限于USB接口通信，有线通信用于电路与计算机端等有线终端通信。

电源模块采用锂电池和USB两种供电方式，满足不同场景的需求，其中测量模块、控制模块、通信模块并联接入电源模块。

如图4所示，终端通过收发器获取集成电路输出的信号后，终端通过无线传输技术接收实时信号，并在软件界面上显示实时的颈椎弯曲数据曲线，并不断储存实时数据，直到关闭设备或自主暂停。终端在终端界面上通过QT中的drawCurve()语句作图以显示实时数据曲线，通过使用QSqlTableModel这个类去操作SQLite数据库达到保存、查看、删除数据的目的，并且终端通过收发器将鼠标点击开启和停止按钮的信号反馈给数据采集和传输集成电路，以具备控制整个系统开启和停止的功能，另外通过设置软件中的菜单栏选项以访问SQLite数据库查看或删除个人历史记录。

软件界面设计逻辑如下：终端通过无线传输技术接收到数据采集和传输集成电路输出的信号之后，在主界面上绘制出实时的颈椎弯曲角度曲线，并能将数据自动保存到终端，当弯曲角度超过角度阈值后，计时器开始工作，计时超过时间阈值后，自动弹出提警界面，提醒界面上设有多个运动软件的链接。另外，用户可以切换界面查看或者删除历史记录，以作为保护颈椎的参考。

实施例2

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，包括柔性应变传感器和数据采集和传输集成电路，以及接收集成电路信号并显示输出的终端界面。

其中，柔性传感器采用复合纳米纤维膜柔性传感器。一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，将质量分数为20％的聚氨酯颗粒加入到由N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮溶液混合而成的有机溶剂中，其中N,N-二甲基甲酰胺(DMF)质量分数为有机溶剂的75％，丙酮溶液的质量分数为25％，再使用磁力搅拌器搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液6。

步骤2、将聚氨酯纺丝溶液6放入注射器1中，注射器1在注射泵2的推动下匀速推出，其中注射器1的推动速度为8μL/min，使聚氨酯纺丝溶液6成纺丝液滴状，高压电源3输出的纺丝电压为13kV，用高压电源3在环境中加高压静电场，液滴在静电场的作用下形成稳定射流，由于电场力的高速拉伸、溶剂挥发和固化，射流最终沉积在集电极4上，形成聚氨酯纤维膜，其中集电极4距注射器1的出口距离为9cm。将上述制备工艺制备出的聚氨酯纤维膜放置在扫描电子显微镜下观察其表面形貌，结果如图5所示，聚氨酯纤维膜呈现出均匀的多孔结构，直径均匀且纤维间无粘连。

步骤3、如图2所示，使用去离子水将银纳米线分散液8稀释形成超声搅拌溶液9，并超声分散，其中银纳米线分散液中含有1mg银纳米线，将预拉伸到110％的聚氨酯纤维膜5放置在滤膜7上，将分散后的溶液使用真空抽滤的方法在聚氨酯纤维膜5上沉积一层银纳米线11，形成复合纳米纤维膜。最后将复合纳米纤维膜放入真空干燥箱中干燥1.5h，得到一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器。

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统中的数据采集和传输集成电路，其设计方案如下：

首先，柔性应变传感器的输出端和测量模块的输入端连接。

然后将上述柔性应变传感器作为信号采集模块，采用编织的方法镶嵌在横向双罗纹针织物上形成织物式传感元件，佩戴在测试者颈部，与测试者颈部皮肤紧密贴合，柔性传感器因颈椎弯曲而产生拉伸或压缩，拉伸或压缩后的电阻值有显著的规律变化。采用基于STM32为核心的数据采集与传输集成电路，将柔性传感器的电阻信号经滤波和放大后通过低功耗蓝牙无线通信模块传输到无线终端。

如图3所示，数据采集和传输集成电路包括测量模块、控制模块、通信模块和电源模块。测量模块输入端与柔性传感器连接，接收传感器拉伸弯曲产生的电阻信号，输出端与控制模块连接，将从传感器中接收的电阻信号输出到控制模块中；控制模块输入端与测量模块输出端连接，接收测量模块的电阻信号，输出端与通信模块连接，控制模块中的微处理器每隔1s计算一次平均电阻值，并将平均电阻值输到通信模块中；通信模块一端与控制模块连接，接收控制模块的数据，另一端与终端进行无线连接传输数据到终端；上述三个模块均与电源模块并联连接，以满足供电需求。

测量模块接受传感器电阻信号，经滤波放大后得到电阻信号。

控制模块以STM32微控制器为核心，通过微控制器中集成的A/D模块采集测量模块输出的弯曲或拉伸产生的电阻信号，每隔1s计算一次平均电阻值R，然后使用经验公式计算出待测弯曲曲率值，计算公式为K＝R×ε，其中K为弯曲曲率，R为每秒平均电阻值，ε为经验参数。控制模块中的STM32微控制器还可以控制整个系统的开启和关闭。

通信模块为无线通信方式，用于无线终端。无线通信方式包括但不限于蓝牙通信，无线通信用于电路与手机端等无线终端通信。

电源模块采用锂电池供电方式，满足无线通信需求，其中测量模块、控制模块、通信模块并联接入电源模块。

终端接收和处理数据以及软件界面设计的逻辑与实施例1相同。

实施例3

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，包括柔性应变传感器和数据采集和传输集成电路，以及接收集成电路信号并显示输出的终端界面。

其中，柔性传感器采用复合纳米纤维膜柔性传感器。一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，将质量分数为25％的聚氨酯颗粒加入到由N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮溶液混合而成的有机溶剂中，其中N,N-二甲基甲酰胺(DMF)质量分数为有机溶剂的80％，丙酮溶液的质量分数为20％，再使用磁力搅拌器搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液6。

步骤2、将聚氨酯纺丝溶液6放入注射器1中，注射器1在注射泵2的推动下匀速推出，其中注射器1的推动速度为5μL/min，使聚氨酯纺丝溶液6成纺丝液滴状，高压电源3输出的纺丝电压为15kV，用高压电源3在环境中加高压静电场，液滴在静电场的作用下形成稳定射流，由于电场力的高速拉伸、溶剂挥发和固化，射流最终沉积在集电极4上，形成聚氨酯纤维膜，其中集电极4距注射器1的出口距离为8cm。将上述制备工艺制备出的聚氨酯纤维膜放置在扫描电子显微镜下观察其表面形貌，结果如图6所示，聚氨酯纤维膜的多孔结构均匀且纤维间无粘连，此结构有利于导电材料附着均匀、聚氨酯纤维膜和导电材料结合作用良好，且使得制备出的柔性传感器更加耐磨损。

步骤3、如图2所示，使用去离子水将银纳米线分散液8稀释形成超声搅拌溶液9，并超声分散，其中银纳米线分散液中含有2mg银纳米线，将预拉伸到115％的聚氨酯纤维膜5放置在滤膜7上，将分散后的溶液使用真空抽滤的方法在聚氨酯纤维膜5上沉积一层银纳米线11，形成复合纳米纤维膜。最后将复合纳米纤维膜放入真空干燥箱中干燥1.75h，得到一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器。

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统中的数据采集和传输集成电路，其设计方案如下：

首先，柔性应变传感器的输出端和测量模块的输入端连接。

然后将上述柔性应变传感器作为信号采集模块，采用编织的方法镶嵌在横向双罗纹针织物上形成贴纸式传感元件，贴附在测试者颈部，与测试者颈部皮肤紧密贴合，柔性传感器因颈椎弯曲而产生拉伸或压缩，拉伸或压缩后的电阻值有显著的规律变化。采用基于STM32为核心的数据采集与传输集成电路，将柔性传感器的电阻信号经滤波和放大后通过USB通信模块传输到有线终端。

如图3所示，数据采集和传输集成电路包括测量模块、控制模块、通信模块和电源模块。测量模块输入端与柔性传感器连接，接收传感器拉伸弯曲产生的电阻信号，输出端与控制模块连接，将从传感器中接收的电阻信号输出到控制模块中；控制模块输入端与测量模块输出端连接，接收测量模块的电阻信号，输出端与通信模块连接，控制模块中的微处理器每隔2s计算一次平均电阻值，并将平均电阻值输到通信模块中；通信模块一端与控制模块连接，接收控制模块的数据，另一端与终端进行有线连接传输数据到终端；上述三个模块均与电源模块并联连接，以满足供电需求。

测量模块接受传感器电阻信号，经滤波放大后得到电阻信号。

控制模块以STM32微控制器为核心，通过微控制器中集成的A/D模块采集测量模块输出的弯曲或拉伸产生的电阻信号，每隔2s计算一次平均电阻值R，然后使用经验公式计算出待测弯曲曲率值，计算公式为K＝R×ε，其中K为弯曲曲率，R为每秒平均电阻值，ε为经验参数。控制模块中的STM32微控制器还可以控制整个系统的开启和关闭。

通信模块采用有线通信方式，用于有线终端。有线通信方式包括但不限于USB接口通信，有线通信用于电路与计算机端等有线终端通信。

电源模块采用USB供电方式，与USB通信方式共用一个USB接口和线路，其中测量模块、控制模块、通信模块并联接入电源模块。

终端接收和处理数据以及软件界面设计的逻辑与实施例1相同。

实施例4

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，包括柔性应变传感器和数据采集和传输集成电路，以及接收集成电路信号并显示输出的终端界面。

其中，柔性传感器采用复合纳米纤维膜柔性传感器。一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，将质量分数为22％的聚氨酯颗粒加入到由N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液和丙酮溶液混合而成的有机溶剂中，其中N,N-二甲基甲酰胺(DMF)质量分数为有机溶剂的78％，丙酮溶液的质量分数为22％，再使用磁力搅拌器搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液6。

步骤2、将聚氨酯纺丝溶液6放入注射器1中，注射器1在注射泵2的推动下匀速推出，其中注射器1的推动速度为10μL/min，使聚氨酯纺丝溶液6成纺丝液滴状，高压电源3输出的纺丝电压为10kV，用高压电源3在环境中加高压静电场，液滴在静电场的作用下形成稳定射流，由于电场力的高速拉伸、溶剂挥发和固化，射流最终沉积在集电极4上，形成聚氨酯纤维膜，其中集电极4距注射器1的出口距离为10cm。

步骤3、如图2所示，使用去离子水将银纳米线分散液8稀释形成超声搅拌溶液9，并超声分散，其中银纳米线分散液中含有1.5mg银纳米线，将预拉伸到120％的聚氨酯纤维膜5放置在滤膜7上，将分散后的溶液使用真空抽滤的方法在聚氨酯纤维膜5上沉积一层银纳米线11，形成复合纳米纤维膜。最后将复合纳米纤维膜放入真空干燥箱中干燥2h，得到一种复合纳米纤维膜的柔性应变传感器。

一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统中的数据采集和传输集成电路，其设计方案如下：

首先，柔性应变传感器的输出端和测量模块的输入端连接。

然后将上述柔性应变传感器作为信号采集模块，采用编织的方法镶嵌在横向双罗纹针织物上形成织物式传感元件，佩戴在测试者颈部，与测试者颈部皮肤紧密贴合，柔性传感器因颈椎弯曲而产生拉伸或压缩，拉伸或压缩后的电阻值有显著的规律变化。采用基于STM32为核心的数据采集与传输集成电路，将柔性传感器的电阻信号经滤波和放大后通过低功耗蓝牙无线通信模块传输到无线终端。

如图3所示，数据采集和传输集成电路包括测量模块、控制模块、通信模块和电源模块。测量模块输入端与柔性传感器连接，接收传感器拉伸弯曲产生的电阻信号，输出端与控制模块连接，将从传感器中接收的电阻信号输出到控制模块中；控制模块输入端与测量模块输出端连接，接收测量模块的电阻信号，输出端与通信模块连接，控制模块中的微处理器每隔1s计算一次平均电阻值，并将平均电阻值输到通信模块中；通信模块一端与控制模块连接，接收控制模块的数据，另一端与终端进行无线连接传输数据到终端；上述三个模块均与电源模块并联连接，以满足供电需求。

测量模块接受传感器电阻信号，经滤波放大后得到电阻信号。

控制模块以STM32微控制器为核心，通过微控制器中集成的A/D模块采集测量模块输出的弯曲或拉伸产生的电阻信号，每隔1s计算一次平均电阻值R，然后使用经验公式计算出待测弯曲曲率值，计算公式为K＝R×ε，其中K为弯曲曲率，R为每秒平均电阻值，ε为经验参数。控制模块中的STM32微控制器还可以控制整个系统的开启和关闭。

通信模块为无线通信方式，用于无线终端。无线通信方式包括但不限于蓝牙通信，无线通信用于电路与手机端等无线终端通信。

电源模块采用锂电池供电方式，满足无线通信需求，其中测量模块、控制模块、通信模块并联接入电源模块。

终端接收和处理数据以及软件界面设计的逻辑与实施例1相同。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，包括依次连接的柔性应变传感器、数据采集和传输集成电路，以及接收集成电路信号并显示输出的终端；

所述柔性应变传感器采用复合纳米纤维膜柔性传感器；

所述数据采集和传输集成电路，包括测量模块、控制模块和通信模块，所述测量模块输入端与柔性应变传感器的输出端连接，接收柔性应变传感器的电阻信号，并传递至控制模块中；

所述控制模块，用于接收测量模块的电阻信号，根据电阻信号计算电阻值，并根据电阻值计算出待测弯曲曲率值，并将平均电阻值和待测弯曲曲率值发送至通信模块中；

所述通信模块，用于将接收到的平均电阻值和待测弯曲曲率值传递至终端。

2.根据权利要求1所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述柔性应变传感器采用编织的方法镶嵌织物上形成织物式传感元件或贴纸式传感元件。

3.根据权利要求1所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述控制模块每隔设定的时间根据电阻信号计算一次平均电阻值R，并根据平均电阻值R计算出待测弯曲曲率值K，K＝R×ε，ε为经验参数。

4.根据权利要求3所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述设定时间为1s～2s。

5.根据权利要求1所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述通信模块采用蓝牙通信和USB接口通信中的一种或两种的组合。

6.根据权利要求1所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述终端在终端界面上通过QT中的drawCurve()语句制图以显示实时待测弯曲曲率值曲线，通过使用类QSqlTableModel操作SQLite数据库达到保存、查看、删除数据的目的，通过收发器将鼠标点击开启和停止按钮的信号反馈给信号处理和传输集成电路，以控制整个系统开启和停止。

7.根据权利要求1所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述数据采集和传输集成电路还包括计时器，当弯曲曲率超过曲率阈值后，计时器开始工作，计时超过时间阈值后，数据采集和传输集成电路通过终端向用户发送警告信号。

8.根据权利要求1所述的一种用于颈椎弯曲监测的可穿戴柔性应变智能传感系统，其特征在于，所述复合纳米纤维膜柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将质量分数为20％～25％的聚氨酯颗粒加入到由N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液混合而成的有机溶剂中，搅拌均匀后得到聚氨酯纺丝溶液；

步骤2、将聚氨酯纺丝溶液放入注射器中，并从注射器匀速推出，使聚氨酯纺丝溶液成纺丝液滴状，用高压电源在环境中加10kV-15kV的静电场，液滴在静电场的作用下形成稳定射流，射流最终沉积在集电极上，形成聚氨酯纤维膜；

步骤3、用去离子水将银纳米线分散液稀释并超声分散，将预拉伸到110％～120％的聚氨酯纤维膜放置在滤膜上，将超声分散后的银纳米线分散液用真空抽滤的方法在聚氨酯纤维膜上沉积一层银纳米线，形成复合纳米纤维膜；最后将复合纳米纤维膜放入真空干燥箱中干燥1.5h～2h，得到复合纳米纤维膜柔性应变传感器。

Images