CN117180007A - 一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤，旨在通过采用一种试纸与尿液反应产生电流的设计来实现纸尿裤湿透程度的快速、准确检测并报警提醒监护人。本发明的智能纸尿裤包含以下部件：纸尿裤本体、试纸、传感器、信号发射器以及处理器。试纸与纸尿裤本体紧密连接，当尿液进入纸尿裤后，试纸与尿液发生反应，产生一次性电流信号，传感器捕获该信号并将其转化为数字信号，然后发送给信号发射器进行传输。处理器接收并处理该信号，根据预设的阈值，确定纸尿裤的湿透程度，并将检测结果通过蜂鸣器或其他提示方式通知使用者或者监护人。本发明的创新点在于使用试纸代替传统的湿度传感器，当尿液和试纸发生反应时，试纸可以产生一次性电流，供传感器和信号发射器使用，从而避免了使用锂电池所带来的自放电问题以及环境污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能纸尿裤，特别是一种采用遇水可发电试纸作为电源的智能纸尿裤。
背景技术
纸尿裤是婴儿日常生活中的必需品，而其湿透的情况往往需要经常进行检查和更换。然而，由于湿透程度难以直接观察和判断，很多父母会忽略更换的时机，导致宝宝不适和皮肤问题的发生。因此，开发一种能够智能检测纸尿裤湿透程度的技术，可以有效地改善这种情况。目前现有技术的不足之处：
目前市场上已经有一些智能纸尿裤产品，这些产品通过内置传感器来检测纸尿裤的湿透程度。然而，这些产品通常采用纽扣电池作为能源供应，因此容易受到自放电的影响，导致电池寿命较短。此外，纽扣电池也会对环境造成一定的污染和损害，不符合环保的要求。另外，现有的纸尿裤传感器通常使用压力传感器或超声波传感器等技术来检测湿透程度，这些传感器虽然具有高精度和可靠性，但是成本较高，不适合大规模应用。
发明内容
基于上述背景技术中提出的问题，因此，需要一种成本低廉、使用寿命长、且具有高精度的智能纸尿裤检测技术来弥补现有技术的不足之处。本发明正是针对这一需求而提出的。本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤，旨在通过采用一种试纸与尿液反应产生电流的设计来实现纸尿裤湿透程度的快速、准确检测并报警提醒监护人。本发明的创新点在于使用试纸代替传统的湿度传感器，当尿液和试纸发生反应时，试纸可以产生一次性电流，供传感器和信号发射器使用，从而避免了使用锂电池所带来的自放电问题以及环境污染问题。
本发明的智能纸尿裤包含以下部件：纸尿裤本体、试纸、传感器、信号发射器以及处理器。试纸与纸尿裤本体紧密连接，当尿液进入纸尿裤后，试纸与尿液发生反应，产生一次性电流信号，传感器捕获该信号并将其转化为数字信号，然后发送给信号发射器进行传输。处理器接收并处理该信号，根据预设的阈值，确定纸尿裤的湿透程度，并将检测结果通过蜂鸣器或其他提示方式通知使用者或者监护人。
为实现上述技术方案，本发明的试纸通过以下步骤制作：
步骤一，原料准备：准备所需的化学品，如铝箔、氢氧化钠或盐类、电解液(如铜硫酸溶液或硫酸溶液)等。
步骤二，铝箔切割：将铝箔切成所需的尺寸，通常为数厘米乘数厘米。
步骤三，预处理铝箔：将铝箔在碱性或酸性溶液中浸泡，去除表面的氧化物或其他杂质，确保铝箔表面干净。
步骤四，化学反应处理：将铝箔浸泡在化学反应液中，使其进行化学反应。具体的化学反应将根据所选的反应物和电解液而有所不同。例如，可以在氢氧化钠溶液中将铝箔与氧化成铝离子，产生氢气；或者将铝箔浸泡在铜硫酸溶液中，通过铝在溶液中的氧化反应生成铜离子和电子。
步骤五，试纸制成：将经过化学反应处理的铝箔放置在吸水性纸张上，用热压或其他方法将它们黏合在一起，形成试纸。
实现本发明目的的另一个核心部件是柔性PCB电路板(FPCB，以下简称FPCB)，可以根据纸尿裤的大小和实现本发明的目的进行弯曲折叠等。基材采用聚酰亚胺薄膜(Polyimide Film)或聚酯薄膜(Polyester Film)，导电层采用铜箔制作。FPCB上包含处理器、无线信号发射器等重要组件，以及电阻、电容、电感等“被动器件”的元器件。
本发明的技术方案相比现有技术具有如下优点：
1.可以将普通纸尿裤转变为智能纸尿裤，实现对婴儿大小便情况的实时监测，提高了纸尿裤的使用体验和便利性。
2.本发明使用的遇水即可发电的试纸，比传统的可充电电池更为环保、更易于处理，减少了对环境的污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明试纸2的制作生产流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式。
参照图1，一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤，包含以下部件：纸尿裤本体1、试纸2、FPCB(柔性PCB电路板)3，FPCB3包含传感器31、信号发射器32以及处理器33。试纸2与纸尿裤本体1紧密连接，当尿液进入纸尿裤本体1后，试纸2与尿液发生反应，产生一次性电流信号，传感器31捕获该信号并将其转化为数字信号，然后发送给信号发射器32进行传输。处理器33接收并处理该信号，根据预设的阈值，确定纸尿裤的湿透程度，并将检测结果通过蜂鸣器或其他提示方式通知使用者或者监护人。
优选的，信号发射器32采用433m无线信号发射模块。
进一步的，试纸2可以是多个串联在一起，可以有效提升试纸2遇水时所产生的电压，具体串联的数量以能够驱动整个电流的运行为宜。
为实现上述技术方案，本发明的试纸通过以下步骤制作：
步骤一，原料准备：准备所需的化学品，如铝箔、氢氧化钠或盐类、电解液(如铜硫酸溶液)。
步骤二，铝箔切割：将铝箔切成所需的尺寸，通常为数厘米乘数厘米。
步骤三，预处理铝箔：将铝箔在碱性或酸性溶液中浸泡，去除表面的氧化物或其他杂质，确保铝箔表面干净。
步骤四，化学反应处理：将铝箔浸泡在化学反应液中，使其进行化学反应。具体的化学反应将根据所选的反应物和电解液而有所不同。例如，可以在氢氧化钠溶液中将铝箔与氧化成铝离子，产生氢气；或者将铝箔浸泡在铜硫酸溶液中，通过铝在溶液中的氧化反应生成铜离子和电子。
步骤五，试纸制成：将经过化学反应处理的铝箔放置在吸水性纸张上，用热压或其他方法将它们黏合在一起，形成试纸。
在上述步骤中，步骤四化学反应处理的主要目的是利用化学反应产生电势差，从而让试纸2产生电流。对于本发明中基于原电池机理的试纸2来说，其原理是利用铝箔在一种电解液中发生氧化反应而产生电子和相应的阳离子，从而产生电势差和电流。具体地说，铝箔会在电解液中发生氧化反应，将其表面的铝原子氧化成Al3+离子，同时将部分溶液中的阳离子还原成金属，如在硫酸铜溶液中将Cu2+还原成Cu金属，这个过程中电子从铝箔表面流出，沿着外部电路通过负载(柔性PCB电路板3)到达阳极，同时，阳离子从电解液中移动到铝箔表面，接受电子还原成金属，这个过程中的化学反应就是产生电势差和电流的基础。通过这种方法，试纸3可以在接触水分时产生电流，这个电流可以用于驱动柔性PCB电路板3上的传感器31、信号发射器32和处理器33。
在本实施例中，试纸2的阳极是氧化反应发生的电极，也就是铝箔电极，而阴极则是还原反应发生的电极。在试纸2的电化学反应中，电子从铝箔表面流出，沿着外部电路到达阳极，而阳离子则从溶液中移动到铝箔表面，这个过程中电子的流动方向是从试纸的阴极(金属离子还原成金属的电极)到阳极(铝箔电极)。因此，在试纸2中，铝箔电极是试纸的阳极，而溶液中的金属离子还原成金属的电极则是试纸2的阴极。试纸2在遇到尿液时所产生的化学反应有：
在负极(铝箔)上：2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑
在正极(铜硫酸溶液)上：CuSO4+H2O→CuSO4·5H2O CuSO4·5H2O→Cu2++SO42-整个电池反应为：2Al+3Cu2++6H2O+6OH-→2Al(OH)3+3Cu(OH)2
反应中，铝箔作为负极，在水中发生氧化反应，产生氢气和氢氧化铝。铜离子在铜硫酸溶液中被还原成铜固体。使用铝(Al)作为负极时，该电池的标准电动势约为-1.66伏(V)，而铜(Cu)作为正极时的标准电动势约为+0.34伏(V)，该电池的标准电动势为2.00伏(V)进一步的，考虑到Al在发生化学反应的活性问题，若要提高该电流的大小使得整个纸尿裤在尿湿时可以顺利的对外发射信号，可以将铝(Al)换成更易氧化的金属，如锌(Zn)或镁(Mg)。这是因为在原电池中，更易被氧化的金属作为负极，通常会产生更高的电势差和更大的电流。在这种情况下，电池的化学反应方程式将有所不同，但原理是相同的。
例如，如果将锌作为负极，则反应方程式为：
Zn+2OH-→Zn(OH)2+2e-Cu2++2e-→Cu
整个电池反应方程式为：Zn+Cu2++4OH-→Zn(OH)4^2-+Cu
在标准实验环境下，即气态物质在1大气压，溶液中物质的摩尔浓度为1mol/L，温度为25摄氏度的条件下使用锌(Zn)作为负极时，标准电动势约为-1.10伏(V)，铜(Cu)作为正极时的标准电动势约为+0.34伏(V)，该电池的标准电动势为1.44伏(V)，可以产生数十毫安的电流。
使用镁(Mg)作为负极时，该电池的标准电动势约为-2.37伏(V)，而铜(Cu)作为正极时的标准电动势约为+0.34伏(V)，该电池的标准电动势为2.71伏(V)，可以产生几百毫安的电流，传感器正常工作时需要1mA电流即可工作，433m无线信号发射模块需要3～50mA，该数据足够驱动整个柔性PCB电路板的工作。
实现本发明目的的另一个核心部件是柔性PCB电路板3(FPCB，以下简称FPCB)，可以根据纸尿裤本体1的大小进行弯曲折叠等。本发明的柔性PCB电路板3的基材部分采用聚酰亚胺薄膜(Polyimide Film)或聚酯薄膜(Polyester Film)，导电层采用铜箔制作。FPCB上包含传感器31、信号发射器32以及处理器33等重要组件，以及电阻、电容、电感等“被动器件”的元器件。
下面结合婴儿的具体使用场景对本发明做进一步的阐述。
针对婴儿使用的一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤(简称智能纸尿裤)。该智能纸尿裤采用柔软、透气的材料制作，以确保婴儿的舒适度和安全性。智能纸尿裤内部设置有遇水可发电的试纸2，柔性PCB电路板3，试纸2的制作生产流程参照图2。柔性PCB板3包含传感器31和433m无线信号发射模块32、处理器33，传感器31采用电容式传感器，可以检测到婴儿尿液的存在并发送信号给处理器33，处理器33将该信号通过433m无线信号发射模块发送给物联网环境中的监护人手机上或者远处的显示屏以及喇叭等进行提醒。监护人收到提醒后可以及时的将该纸尿裤进行更换。
本实施例的一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤具有成本低廉、使用寿命长、环保等优点。同时，该智能纸尿裤的应用场景也非常广泛，不仅适用于婴儿，也适用于成人或者需要长时间卧床的患者等人群。
Claims (3)
1.一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤，其特征在于，包含纸尿裤本体、试纸、PCB电路板，PCB电路板上包含传感器、信号发射器以及处理器。试纸与纸尿裤本体紧密连接，当尿液进入纸尿裤后，试纸与尿液发生反应，产生一次性电流信号，传感器捕获该信号并将其转化为数字信号，然后发送给信号发射器进行传输。处理器接收并处理该信号，根据预设的阈值，确定纸尿裤的湿透程度，并将检测结果通过蜂鸣器或其他提示方式通知使用者或者监护人。
2.如权利要求1所述的一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤，其特征在于，所述试纸通过如下步骤制作生成：
步骤一，原料准备：准备所需的化学品，如铝箔、氢氧化钠或盐类、电解液(如铜硫酸溶液或硫酸溶液)等。
步骤二，铝箔切割：将铝箔切成所需的尺寸，通常为数厘米乘数厘米。
步骤三，预处理铝箔：将铝箔在碱性或酸性溶液中浸泡，去除表面的氧化物或其他杂质，确保铝箔表面干净。
步骤四，化学反应处理：将铝箔浸泡在化学反应液中，使其进行化学反应。具体的化学反应将根据所选的反应物和电解液而有所不同。例如，可以在氢氧化钠溶液中将铝箔与氧化成铝离子，产生氢气；或者将铝箔浸泡在铜硫酸溶液中，通过铝在溶液中的氧化反应生成铜离子和电子。
步骤五，试纸制成：将经过化学反应处理的铝箔放置在吸水性纸张上，用热压或其他方法将它们黏合在一起，形成试纸。
3.如权利要求1所述的一种基于遇水可发电试纸的智能纸尿裤，其特征在于，PCB电路板为柔性材料制成，基材采用聚酰亚胺薄膜(PolyimideFilm)或聚酯薄膜(PolyesterFilm)，导电层采用铜箔制作。PCB电路板上包含处理器、无线信号发射器等重要组件，以及电阻、电容、电感等“被动器件”的元器件。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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