CN113068961A - 一种基于柔性传感器的床垫 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种基于柔性传感器的床垫。其包括亲肤层，传感层，以及防水层，传感层由若干个柔性传感器阵列式排布组成，柔性传感器包括导电面料，导电面料包括柔性基材，以及石墨烯膜层，石墨烯膜层上石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％‑6％的溶液；还包括与传感层的侧面连接的信号采集装置，信号采集装置与智能显示终端电联接，信号采集装置包括信号采集控制模块，信号采集控制模块通过将传感层获取使用者在床垫上的压力信号或湿度信号发送至智能显示终端，智能显示终端根据压力信号或湿度信号分析得出使用者生理参数信息。本发明可靠性高，实时响应性好，监测精准度高，舒适性高，值得被广泛推广应用。

Description

一种基于柔性传感器的床垫

技术领域

本发明涉及智能床垫技术领域，特别涉及一种基于柔性传感器的床垫。

背景技术

随着社会经济的发展和生活节奏的加快，人们越来越关注自己的身体是否健康。睡眠健康是身体健康的重要组成部分，然而大多数人并没有认识到其重要性。人的一生有1/3的时间是在睡眠中度过的，好的睡眠对恢复体力、增强智慧、保证睡眠健康十分重要。因此，如何通过监测设备将睡眠情况客观呈现出来，使人们清楚地了解自己的睡眠状况，越来越受到研究人员的关注。

针对目前市场上睡眠监测设备使用不方便以及监测不准确等问题，在此基础上，人们通过设计并实现了床垫式睡眠监测系统。系统首先使用薄膜压力传感器采集用户睡眠数据，然后通过嵌入式平台对数据进行模数转换，去噪和标准化处理，并应用睡眠模型公式得到用户的睡眠结果，最后将睡眠结果在手机端进行展示，满足用户需求。

作为床垫核心部件之一的柔性传感器，以其高灵敏度、响应时间短、使用舒适性和多功能集成等特点已经成为人们关注的热点，激发了国内外研究人员对柔性传感器的研究和开发。

众所周知，石墨烯是由碳原子六角结构紧密堆积而成的二维材料，只有一个碳原子厚度的二维晶体，拥有稳定的六元环结构。石墨烯具有完美的大π共轭体系和最薄的单层原子厚度的结构，这使得石墨烯拥有非常优异和独特的光、电、磁、机械等物理性能和化学性质。它是人类已知重量最轻、韧性最好、透光率最高、导电性能最佳的材料，因出众的性能而被广泛应用。基于上述特性，石墨烯可应用于可穿戴传感器的制备。

然而，石墨烯粉末在制备导电浆料过程中存在分散不均匀问题，使得浆料中石墨烯出现团聚的现象，从而导致导电性能、以及热响应性能低。本领域技术人员为解决分散性问题，对石墨烯进行氧化形成氧化石墨烯，并且采用大量表面活性剂和分散剂来帮助石墨烯粉末的均匀分散。但是，对于导电浆料而言，表面活性剂和分散剂本身不参与导电，这会影响电子器件在使用过程中的电学性能和稳定性。

由于石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，导致了石墨烯对无水乙醇溶液具有排斥作用，造成石墨烯在无水乙醇溶液中分散性较差，这样的情况使得一方面很难将石墨烯均匀的涂覆在无纺布等织物上，另一方面即使附上之后因为较差的粘附性也很容易使石墨烯涂层掉落，从而使得导电性、耐水洗性、以及热响应性相对较差。

专利CN 107298924 A，公开了一种石墨烯导电浆料及其制备方法、应用方法，其包括如下重量备份比原料制成：包括少层石墨烯0.5-15.0wt％；分散剂0.1-5.0wt％；稀释剂80-99.4wt％；有机树脂10-40.0wt％。该专利通过前期对分散剂的筛选，在石墨烯粉体与稀释剂的混合过程中，石墨烯能更容易分散在稀释剂中，且得到的分散液稳定性好，添加所选分散剂配合其所采用工艺能促进石墨烯在稀释剂中的剥离，在浆料中用部分树脂代替部分溶剂使浆料的固含量增加，提高浆料稳定性，防止石墨烯的回叠，又能为后期的应用提供很好的相容性。虽然该专利解决了石墨烯在浆料中均匀性，以及用部分树脂进行代替部分溶剂是浆料的固含量增加，解决后期应用的相容性问题。具体的，该专利是先将分散剂与稀释剂进行混合，然后再将石墨烯粉体加入，实现石墨烯粉体的均匀混合。但是，首先由于其采用的是石墨烯粉体，石墨烯粉体需要先润湿然后在分散，所以将粉体加入至溶液中时，分散的较慢，在润湿的过程中可能会出现部分粉体堆叠团聚的现象。其次，虽然该专利也加入了分散剂，进行辅助分散，但是其在加入粉体时才加入分散剂，此时可能已经出现了石墨烯颗粒的堆叠团聚。当出现团聚现象再进行分散，其分散效果大打折扣，所以说，相对而言石墨烯粉体在浆料中分散性较差，从而导致导电性能、热响应性能降低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种监测精准度高，实时响应快，可靠性高，舒适性高的基于柔性传感器的床垫。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种基于柔性传感器的床垫，所述床垫包括亲肤层，传感层，以及防水层，所述传感层由若干个柔性传感器阵列式排布组成，所述柔性传感器包括导电面料，所述导电面料包括柔性基材，以及通过在所述柔性基材的表面均匀涂覆石墨烯导电浆料后形成的石墨烯膜层，所述石墨烯膜层上石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％-6％的溶液；还包括与所述传感层的侧面连接的信号采集装置，所述信号采集装置与智能显示终端电连接，所述信号采集装置包括信号采集控制模块，所述信号采集控制模块通过将传感层获取使用者在床垫上的压力信号或湿度信号发送至智能显示终端，所述智能显示终端根据所述压力信号或湿度信号分析得出使用者生理参数信息。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液和水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，先是通过采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯溶液，然后在氧化石墨烯溶液中加入还原剂进行还原，在氧化石墨烯溶液还原过程中加入分散剂。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述还原剂的浓度质量百分比为1％，所述分散剂的浓度质量百分比为0.25％，所述石墨烯导电浆料的溶剂为离子水。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述还原剂为肼、甲基肼、苯肼、NaOH、KOH、氨水、氢碘酸中的一种或几种；所述分散剂烯为聚乙吡咯烷酮K90(PVP)。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述传感层包括9个大小相同的区域，每个区域设置有4块柔性传感器，所述信号采集装置包括9个信号采集控制模块，所述9个信号采集控制模块分别与柔性传感层的9个区域相对应设置，且每个信号采集控制模块分别与每个区域的4块柔性传感器相连接。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述智能显示终端包括电源管理模块，以太网通信模块，无线WIFI模块，用于为床垫提供信号采集、数据处理、数据通信、数据显示功能的微控制器，液晶触摸屏，纽扣电池。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述智能显示终端包括蜂鸣器，当所述智能显示终端接收到柔性传感器检测信号后发送用于控制蜂鸣器是否启动发出警报的警报信号至蜂鸣器。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述柔性传感器为湿度传感器，当所述智能显示终端接收到湿度传感器检测的湿度信号后，根据湿度信号进行计算，得到对应的电阻值，并判断是否发送用于控制蜂鸣器启动发出警报信号至蜂鸣器。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述柔性传感器为压力传感器，所述智能显示终端接收压力传感器获取的压力信号，根据压力信号识别出使用者睡姿。

上述的基于柔性传感器的床垫，所述生理参数信息包括呼吸率、心率；所述智能显示终端根据生理参数信息提供个性化睡眠照料服务，所述个性化睡眠照料服务包括基于日志的提醒服务、呼吸与心率异常时的预警服务。

本发明基于柔性传感器的床垫的有益效果是：本发明中的床垫由于采用了灵敏度高，稳定性好的柔性传感器，提高了对人体生理活动的监测精准度，实时响应性能，以及舒适性。

本发明中采用的石墨烯导电浆料，是通过先制备氧化石墨烯溶液，再在氧化石墨烯溶液还原的过程中加入分散剂制备得到的。由于在此时加入分散剂，所以可防止氧化石墨烯溶液在还原的过程中，氧化石墨烯还原出来的石墨烯发生团聚，导致溶液中石墨烯不均匀分布。所以本发明中的石墨烯在石墨烯溶液中分布很均匀。然后采用的是将分散良好的石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液混合，石墨烯溶液相比粉体更容易在混合溶液中分散，进一步使得石墨烯可在浆料中均匀分布，形成分散良好的石墨烯导电浆料，最终提高了浆料的导电性能以及热响应性能。最后通过采用水溶性聚氨酯溶液，由于其黏结性能好，与石墨烯溶液混合后，可使石墨烯溶液中已分散均匀的石墨烯不易再次发生团聚，当涂覆在柔性基材上制备面料时，不仅可使石墨烯分散均匀的石墨烯导电浆料不易从面料上脱落，还可改善面料的手感、耐折性，耐水洗性也得到提高。

本发明特别适合应用于失禁老年人群或婴儿。本发明的亲肤层主要是由纤维素纤维的织物构成，传感层由柔性导电面料组成，亲肤层与传感层可以很好的结合，使得床垫整体柔软舒适，有助于改善睡眠质量。本发明可靠性高，实时响应性好，监测精准度高，舒适性高，值得被广泛推广应用。

附图说明

图1为实施例1的工作原理简图；

图2为实施例1中制备的石墨烯导电浆料的光学显微镜图(a)；

图3为实施例3中制备的石墨烯导电浆料的光学显微镜图(b)；

图4为实施例4中制备的石墨烯导电浆料的光学显微镜图(c)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1

如图1、2所示，一种基于柔性传感器的床垫，床垫包括亲肤层1，传感层2，以及防水层3，传感层2由若干个柔性传感器阵列式排布组成。其中，柔性传感器包括导电面料4，以及设置于导电面料4两侧端的电极5，导电面料4包括柔性基材，以及通过在柔性基材的表面均匀涂覆石墨烯导电浆料后形成的石墨烯膜层。还包括与传感层2的侧面连接的信号采集装置6，信号采集装置6与智能显示终端7信号连接，信号采集装置包括信号采集控制模块，信号采集控制模块通过将传感层2获取使用者身体在床垫上的压力信号或湿度信号发送至智能显示终端7，智能显示终端7根据压力信号或湿度信号分析得出使用者生理参数信息。

具体的，本实施例中的传感层包括9个大小相同的区域，每个区域设置有4块柔性传感器，信号采集装置包括9个信号采集控制模块，9个信号采集控制模块分别与柔性传感层的9个区域相对应设置，且每个信号采集控制模块分别与每个区域的4块柔性传感器相连接。传感层的尺寸可为20*20cm-60*60cm，本实施例中传感层的尺寸为60*60cm。

在本实施例中，智能显示终端还包括为智能显示终端和各信号采集控制模块提供稳压、上电和断电功能的电源管理模块，可为智能终端和各信号采集控制模块之间提供通信接口的以太网通信模块，无线WIFI模块，用于为床垫提供信号采集、数据处理、数据通信、数据显示功能的微控制器，液晶触摸屏，用于外部电源掉电情况下为微控制器供电的纽扣电池。智能显示终端还包括蜂鸣器，当智能显示终端接收到柔性传感器检测信号后发送用于控制蜂鸣器是否启动发出警报的警报信号至蜂鸣器。蜂鸣器可为使用者提供语音提示功能，微控制器通过GPIO控制蜂鸣器工作。智能显示终端为微电脑。本实施例中，湿度传感器可采用串行总线与微控制器连接。

本实施例的一个具体应用方法为：

柔性传感器为压力传感器，智能显示终端接收压力传感器获取的压力信号，根据压力信号识别出使用者的睡姿。具体是，通过检测传感层上压力分布，以及压力大小结合来分析使用者的睡姿情况。先在智能显示终端上设置各种睡姿所对应压力范围值，如侧卧、仰卧等压力范围值。众所周知，当传感层的柔性传感器发生形变，此时该柔性传感器的电阻值也发生变化，即压力形变量对应电阻值的变化量。

在使用时，将床垫放置于普通卧床上面。使用者躺卧后，床垫上传感层的柔性传感器发生形变，智能显示终端接收到传感层传输的信号后，进行存储并计算，计算传感层上每一个区域上的4块柔性传感器感知的压力之和，并计算整个传感层上压力总值，将压力总值与预设的各种睡姿对应的压力值进行比较分析，同时根据传感层上受力区域进行综合判断人体睡姿，即可实现对使用者的睡姿监控。还可存储记录每种睡姿的持续时间，并通过智能显示终端将用户的睡姿、温度信息、睡眠时间等信息实时显示在其液晶触摸屏上，为睡眠质量评价提供参考数据。

同时，在睡眠过程中，床垫中的传感层除了可自动检测使用者身体压力信息外，还可通过压力传感器获取的压力信号变化实时检测使用者生理参数，如呼吸率、心率。然后根据身体压力信息、生理参数信息，提供个性化睡眠照料服务，比如基于日志的提醒服务、呼吸与心率异常时的预警服务等服务。

在本实施例中，石墨烯膜层上石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％-6％的溶液，其中，石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液和水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，具体的石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％的溶液，石墨烯溶液的浓度质量百分比为1％，水溶性聚氨酯溶液的浓度质量百分比为10％。

石墨烯溶液的制备方法，先通过采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯溶液，然后在氧化石墨烯溶液中加入还原剂进行还原，在氧化石墨烯溶液还原过程中加入分散剂，最终制备得到石墨烯溶液。还原剂的浓度质量百分比为1％，分散剂的浓度质量百分比为0.25％，石墨烯导电浆料的溶剂为离子水。在本实施例中，还原剂采用肼，分散剂烯采用聚乙吡咯烷酮K90(PVP)，柔性基材为柔性织物。

具体的，石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液(PU)共混的方法为将量取的石墨烯溶液缓慢滴加到不断搅拌中的水溶性聚氨酯溶液中，滴加完成后，将混合溶液在数显电动搅拌器上搅拌，然后进行超声处理。将石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液共混后，在数显电动搅拌器上搅拌时间为30min，转速设置为200r/min；超声处理的时间为30min。

石墨烯导电浆料制备时，通过采用缓慢将石墨烯溶液滴加到搅拌中的水溶性聚氨酯溶液中，可促使石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液充分混合，结合分散性良好的石墨烯溶液，使得石墨烯更加充分分散在制备的浆料中，最终制得分散性良好的石墨烯导电浆料。由于石墨烯溶液的分散性好，所以石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液在数显电动搅拌器上充分搅拌混合时，只需要搅拌30min，大大降低了制作成本。

其中，导电面料的涂覆工艺，包括如下步骤：

(1)先利用压力雾化方式，将浓度质量百分比为10％的水溶性聚氨酯溶液涂覆在柔性织物表面，得到初处理基材；

(2)然后再利用压力雾化方式，将石墨烯导电浆料分10次喷涂在步骤(1)制得的初处理基材表面，雾化喷涂时需要干燥后再喷涂下一层的石墨烯导电浆料层，全部喷涂完成并干燥后得到高导电基材；

(3)再次利用压力雾化的方式，将浓度质量百分比为10％的水溶性聚氨酯涂覆到步骤(2)制得的高导电基材表面；

(4)最后，将步骤(3)得到的高导电基材进行烘干处理，烘干后即得到导电面料，烘干时间设置为2min，烘干温度设置为60℃。

在每次压力雾化时，将雾化压力均设置为1MPa，水溶性聚氨酯溶液、石墨烯导电浆料的液体流量均设置为0.3mL/c㎡，每次压力雾化处理的时间均设置为3s。

实施例2

与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中柔性传感器为湿度传感器，湿度传感器用于采集床垫湿度信息，湿度传感器设置于人体臀部部位，当智能显示终端接收到湿度传感器检测的湿度信号后，根据湿度信号进行计算，得到相对应的电阻值，并判断是否发送用于控制蜂鸣器启动发出警报信号至蜂鸣器。当智能显示终端计算得到的电阻值大于预设值时，发出警报或者语音提示。本发明特别适合应用于失禁老年人群或婴儿。

实施例3

如图3所示，与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为2％的溶液，石墨烯溶液的浓度质量百分比为2％，水溶性聚氨酯溶液的浓度质量百分比为10％。在石墨烯溶液的制备方法中，还原剂采用甲基肼。

实施例4

如图4所示，与实施例1、3相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为4％的溶液。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于柔性传感器的床垫，所述床垫包括亲肤层，传感层，以及防水层，其特征在于：所述传感层由若干个柔性传感器阵列式排布组成，所述柔性传感器包括导电面料，所述导电面料包括柔性基材，以及通过在所述柔性基材的表面均匀涂覆石墨烯导电浆料后形成的石墨烯膜层，所述石墨烯膜层上石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％-6％的溶液；还包括与所述传感层的侧面连接的信号采集装置，所述信号采集装置与智能显示终端电联接，所述信号采集装置包括信号采集控制模块，所述信号采集控制模块通过将传感层获取使用者在床垫上的压力信号或湿度信号发送至智能显示终端，所述智能显示终端根据所述压力信号或湿度信号分析得出使用者生理参数信息。

2.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液和水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，先是通过采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯溶液，然后在氧化石墨烯溶液中加入还原剂进行还原，在氧化石墨烯溶液还原过程中加入分散剂。

3.根据权利要求2所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述还原剂的浓度质量百分比为1％，所述分散剂的浓度质量百分比为0.25％，所述石墨烯导电浆料的溶剂为离子水。

4.根据权利要求3所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述还原剂为肼、甲基肼、苯肼、NaOH、KOH、氨水、氢碘酸中的一种或几种；所述分散剂烯为聚乙吡咯烷酮K90(PVP)。

5.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述传感层包括9个大小相同的区域，每个区域设置有4块柔性传感器，所述信号采集装置包括9个信号采集控制模块，所述9个信号采集控制模块分别与柔性传感层的9个区域相对应设置，且每个信号采集控制模块分别与每个区域的4块柔性传感器相连接。

6.根据权利要求5所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述智能显示终端包括电源管理模块，以太网通信模块，无线WIFI模块，用于为床垫提供信号采集、数据处理、数据通信、数据显示功能的微控制器。

7.根据权利要求6所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述智能显示终端包括蜂鸣器，当所述智能显示终端接收到柔性传感器检测信号后发送用于控制蜂鸣器是否启动发出警报的警报信号至蜂鸣器。

8.根据权利要求7所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述柔性传感器为湿度传感器，当所述智能显示终端接收到湿度传感器检测的湿度信号后，根据湿度信号进行计算，得到对应的电阻值，并判断是否发送用于控制蜂鸣器启动发出警报信号至蜂鸣器。

9.根据权利要求7所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述柔性传感器为压力传感器，所述智能显示终端接收压力传感器获取的压力信号，根据压力信号识别出使用者睡姿。

10.根据权利要求9所述的基于柔性传感器的床垫，其特征是：所述生理参数信息包括呼吸率、心率；所述智能显示终端根据生理参数信息提供个性化睡眠照料服务，所述个性化睡眠照料服务包括基于日志的提醒服务、呼吸与心率异常时的预警服务。

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