CN113080932A

CN113080932A - 一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置

Info

Publication number: CN113080932A
Application number: CN202110267923.3A
Authority: CN
Inventors: 沈俊浩; 江锦春; 姚胜平; 左少华; 石富文
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-07-09

Abstract

本发明公开的一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置，采用相对独立设置的呼吸阀及检测模块与口罩集成，呼吸阀通过卡接的方式与口罩的呼吸阀孔连接，检测模块通过黏贴的方式与口罩连接，口罩可更换，呼吸阀及检测模块可便捷拆卸、重复利用。本发明在呼吸阀中设置了柔性电容传感器，通过柔性电容传感器将口罩佩戴者的呼吸频率传递至检测模块，并通过检测模块的无线信号传输电路传输至手机上，便于佩戴者实时监测呼吸频率。

Description

一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置

技术领域

本发明涉及人体呼吸频率监测技术领域，尤其是一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置。

背景技术

随着新冠病毒的蔓延，口罩成为人们日常生活中的必需品。口罩有着很好的抵御病毒的功能，但是也会导致佩戴者呼吸不畅，特别是N95标准的口罩。当佩戴者在患有疾病、高度紧张的工作或是进行一定强度的有氧运动时，人体耗氧量会急剧升高，最高可达平时的9-10倍，表现为人体的呼吸频率大幅度增加。较长时间的佩戴口罩可能导致部分佩戴者在进行上述活动时供氧不足而昏厥，严重者直至猝死，为此，随机对口罩佩戴者的呼吸频率进行检测不可或缺。

现有技术的集成于口罩的呼吸频率监测传感器为柔性湿度传感器，长时间佩戴会因为传感器中的微孔过度吸收水分而导致透气性变差，加剧佩戴者的呼吸受限情况。此外，这类产品的传感器一般嵌在口罩内部的无纺布中，为一次性用品，不能反复使用，导致成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置，本发明包括口罩、呼吸阀及检测模块，采用相对独立设置的呼吸阀及检测模块与口罩集成，呼吸阀通过卡接的方式与口罩的呼吸阀孔连接，检测模块通过黏贴的方式与口罩连接，口罩可更换，呼吸阀及检测模块可便捷拆卸并重复利用。本发明在呼吸阀中设置了柔性电容传感器，通过柔性电容传感器的电容信号将口罩佩戴者的呼吸频率传递至检测模块，由信号采集电路采集、信号处理电路处理并经无线信号传输电路传输至手机上，便于佩戴者实时监测呼吸频率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置，其特点包括口罩、呼吸阀及检测模块，所述口罩上分别设有呼吸阀孔及尼龙贴扣；

所述呼吸阀由内部基底、外部基底、柔性电容传感器及呼吸阀外壳构成，

所述内部基底为设有第一卡扣的片状件；

所述外部基底为设有第一卡座及第二卡扣的片状件；

所述呼吸阀外壳为设有传感器腔体及第二卡座的壳体件；

所述柔性电容传感器设于呼吸阀外壳的传感器腔体内，呼吸阀外壳的第二卡座与外部基底的第二卡扣卡接；

所述内部基底及外部基底分别设于口罩的内侧及外侧，内部基底的第一卡扣与外部基底的第一卡座经口罩的呼吸阀孔卡接；

所述内部基底、外部基底及呼吸阀外壳的传感器腔体之间设有贯通的气流孔；

所述检测模块内设信号采集电路、信号处理电路、无线信号传输电路及电源电路，所述信号采集电路、信号处理电路及无线信号传输电路依次电连接，电源电路分别与信号采集电路、信号处理电路及无线信号传输电路电连接，所述检测模块与口罩上的尼龙贴扣黏贴；所述检测模块的信号采集电路与呼吸阀的柔性电容传感器电连接。

所述的柔性电容传感器由碳纳米管-硅烷弹性电极层、磷酸-聚乙烯醇复合层及粘结层构成；所述磷酸-聚乙烯醇复合层设于中部，碳纳米管-硅烷弹性电极层为两片，碳纳米管-硅烷弹性电极层经粘结层分别贴合在磷酸-聚乙烯醇复合层的正反两面。

所述的检测模块的信号采集电路分别与柔性电容传感器的两片碳纳米管-硅烷弹性电极层电连接。

本发明包括口罩、呼吸阀及检测模块，采用相对独立设置的呼吸阀及检测模块与口罩集成，呼吸阀通过卡接的方式与口罩的呼吸阀孔连接，检测模块通过黏贴的方式与口罩连接，口罩可更换，呼吸阀及检测模块可便捷拆卸并重复利用。本发明在呼吸阀中设置了柔性电容传感器，通过人体的自然呼气和吸气，促使柔性电容传感器发生形变并转换成电容信号，柔性电容传感器的电容信号将口罩佩戴者的呼吸频率传递至检测模块，由信号采集电路采集、信号处理电路处理并经无线信号传输电路传输至手机上，便于佩戴者实时监测呼吸频率。本发明具有监测便捷方便，适应温度、湿度的范围广，监测准确性高的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的口罩与呼吸阀连接的结构示意图；

图3为本发明呼吸阀的结构示意图；

图4为本发明柔性电容传感器的结构示意图；

图5为本发明碳纳米管-硅烷弹性电极层上电极的形状示意图；

图6为本发明检测模块电路方框图；

图7为人体快速呼吸的频率波形图；

图8为人体深呼吸的频率波形图。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3，本发明包括口罩1、呼吸阀2及检测模块3，所述口罩1上分别设有呼吸阀孔11及尼龙贴扣12。

参阅图1、图2、图3，所述呼吸阀2由内部基底21、外部基底22、柔性电容传感器23及呼吸阀外壳24构成，

所述内部基底21为设有第一卡扣的片状件，

所述外部基底22为设有第一卡座及第二卡扣的片状件，

所述呼吸阀外壳24为设有传感器腔体及第二卡座的壳体件，

所述柔性电容传感器23设于呼吸阀外壳24的传感器腔体内，呼吸阀外壳24的第二卡座与外部基底22的第二卡扣卡接，

所述内部基底21及外部基底22分别设于口罩1的内侧及外侧，内部基底21的第一卡扣与外部基底22的第一卡座经口罩1的呼吸阀孔11卡接，

所述内部基底21、外部基底22及呼吸阀外壳24的传感器腔体之间设有贯通的气流孔。

参阅图1、图6，所述检测模块3内设信号采集电路31、信号处理电路32、无线信号传输电路33及电源电路34，所述信号采集电路31、信号处理电路32及无线信号传输电路33依次电连接，电源电路34分别与信号采集电路31、信号处理电路32及无线信号传输电路33电连接，所述检测模块3与口罩1上的尼龙贴扣12黏贴；所述检测模块3的信号采集电路31与呼吸阀2的柔性电容传感器23电连接。

参阅图2、图3、图4，所述的柔性电容传感器23由碳纳米管-硅烷弹性电极层231、磷酸-聚乙烯醇复合层232及粘结层233构成；所述磷酸-聚乙烯醇复合层232设于中部，碳纳米管-硅烷弹性电极层231为两片，碳纳米管-硅烷弹性电极层231经粘结层233分别贴合在磷酸-聚乙烯醇复合层232的正反两面。

参阅图1、图3、图4，所述的检测模块3的信号采集电路31分别与柔性电容传感器23的两片碳纳米管-硅烷弹性电极层231电连接。

实施例：

本发明呼吸阀与口罩的装配：

参阅图1、图2，本发明在口罩1上设置了呼吸阀孔11，本发明呼吸阀2由内部基底21、外部基底22、柔性电容传感器23及呼吸阀外壳24构成，装配时，将柔性电容传感器23装于呼吸阀外壳24的传感器腔体内，使呼吸阀外壳24的第二卡座与外部基底22的第二卡扣卡接。

参阅图1、图2、图3，将内部基底21及外部基底22分别设于口罩1的内侧及外侧，内部基底21的第一卡扣与外部基底22的第一卡座经口罩1的呼吸阀孔11卡接；

为保证呼吸阀2的空气流通，本发明的内部基底21、外部基底22及呼吸阀外壳24的传感器腔体之间设有贯通的气流孔。

本发明检测模块与口罩的装配：

参阅图1、图2、图3，本发明在口罩1上设置了尼龙贴扣12，将检测模块3与口罩1上的尼龙贴扣12黏贴；检测模块3与呼吸阀2的柔性电容传感器23经导线连接。

本发明柔性电容传感器的制备：

参阅图2、图3、图4，本发明的柔性电容传感器23由碳纳米管-硅烷弹性电极层231、磷酸-聚乙烯醇复合层232及粘结层233构成；所述磷酸-聚乙烯醇复合层232设于中部，碳纳米管-硅烷弹性电极层231为两片，碳纳米管-硅烷弹性电极层231经粘结层233分别贴合在磷酸-聚乙烯醇复合层232的正反两面，且两片碳纳米管-硅烷弹性电极层231分别与检测模块3电连接。

其一，参阅图3、图4、图5，碳纳米管-硅烷弹性电极层231的制备：

将PDMS聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10：1的比例混合，浇注在定制的掩膜板中，室温干燥24小时，制备出硅烷弹性电极层；将直径为4～6nm，长度为20～30nm的多壁碳纳米管以质量比1：8的比例与聚二甲基硅氧烷混合，浇注在硅烷弹性电极层上，通过掩膜板形成电极的形状，完成碳纳米管-硅烷弹性电极层231的制备。

其二，参阅图3、图4，磷酸-聚乙烯醇复合层232的制备：

1）、将1克醇解度为98-99％的聚乙烯醇溶解在9克去离子水中，在温度为100～85℃，搅拌2小时，直至完全溶解，形成聚乙烯醇溶液；

2）、将聚乙烯醇溶液冷却至20～25℃，加入1000微升AR85％的磷酸，并搅拌2 小时，混合均匀形成磷酸/聚乙烯醇溶液；

3）、将磷酸-聚乙烯醇溶液倒在砂纸上，并在室温下固化18小时，完成磷酸/聚乙烯醇复合层232的制备。

本发明是这样工作的：

参阅图1、图2、图6，当口罩佩戴者进行呼吸时，设置于口罩1上的呼吸阀2工作，呼吸阀2内的柔性电容传感器23发生形变，柔性电容传感器23内部的磷酸-聚乙烯醇复合层232表面的突起物与碳纳米管-硅烷弹性电极层231的电极产生挤压生成电容信号，该电容信号经碳纳米管-硅烷弹性电极层231的电极将口罩佩戴者的呼吸频率至传递检测模块3，由检测模块3的信号采集电路31采集、信号处理电路32处理数据并经无线信号传输电路33传输至手机上，以此来监测佩戴者的呼吸频率。

参阅图图7、图8，图像中的波峰代表呼气的结束，波谷代表吸气的结束，可以通过波峰与波谷的周期监测不同的呼吸频率。

其中，图7为人体快速呼吸的频率波形图；图8为人体深呼吸的频率波形图。

Claims

1.一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，它包括口罩（1）、呼吸阀（2）及检测模块（3），所述口罩（1）上分别设有呼吸阀孔（11）及尼龙贴扣（12）；

所述呼吸阀（2）由内部基底（21）、外部基底（22）、柔性电容传感器（23）及呼吸阀外壳（24）构成；

所述内部基底（21）为设有第一卡扣的片状件；

所述外部基底（22）为设有第一卡座及第二卡扣的片状件；

所述呼吸阀外壳（24）为设有传感器腔体及第二卡座的壳体件；

所述柔性电容传感器（23）设于呼吸阀外壳（24）的传感器腔体内，呼吸阀外壳（24）的第二卡座与外部基底（22）的第二卡扣卡接；

所述内部基底（21）及外部基底（22）分别设于口罩（1）的内侧及外侧，内部基底（21）的第一卡扣与外部基底（22）的第一卡座经口罩（1）的呼吸阀孔（11）卡接；

所述内部基底（21）、外部基底（22）及呼吸阀外壳（24）的传感器腔体之间设有贯通的气流孔；

所述检测模块（3）内设信号采集电路（31）、信号处理电路（32）、无线信号传输电路（33）及电源电路（34），所述信号采集电路（31）、信号处理电路（32）及无线信号传输电路（33）依次电连接，电源电路（34）分别与信号采集电路（31）、信号处理电路（32）及无线信号传输电路（33）电连接，所述检测模块（3）与口罩（1）上的尼龙贴扣（12）黏贴；

所述检测模块（3）的信号采集电路（31）与呼吸阀（2）的柔性电容传感器（23）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，所述柔性电容传感器（23）由碳纳米管-硅烷弹性电极层（231）、磷酸-聚乙烯醇复合层（232）及粘结层（233）构成；所述磷酸-聚乙烯醇复合层（232）设于中部，碳纳米管-硅烷弹性电极层（231）为两片，碳纳米管-硅烷弹性电极层（231）经粘结层（233）分别贴合在磷酸-聚乙烯醇复合层（232）的正反两面。

3.根据权利要求2所述的一种集成于口罩的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，所述碳纳米管-硅烷弹性电极层（231）为两片，且分别与检测模块（3）信号采集电路（31）电连接。