CN210990256U

CN210990256U - 一种可压缩的可穿戴指脉测量装置

Info

Publication number: CN210990256U
Application number: CN201921031112.8U
Authority: CN
Inventors: 吴幸; 顾俊杰; 骆泽玮
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2029-07-04

Abstract

本实用新型公开了一种可压缩的可穿戴指脉测量装置，该装置包括柔性石墨烯压力探测器、信号处理系统、人机交互系统及电源系统。柔性石墨烯压力探测器为三维石墨烯海绵。信号处理系统对收集到的微弱信号进行放大、整形、滤波等操作，抑制外部干扰，提高信噪比。人机交互系统将测量结果显示给使用者。电源系统为装置提供稳定、低噪声的电源。本实用新型解决了脉搏心率实时监控的准确性和即时性问题。

Description

一种可压缩的可穿戴指脉测量装置

技术领域

本实用新型涉及可穿戴测量装置技术领域，具体地说是一种基于可压缩的三维石墨烯压力探测器的可穿戴指脉测量装置。

背景技术

现代人越来越关心自己的健康，希望能够实时地了解自己的身体状况。现在市面上有许多测量心跳、脉搏的装置，很多人喜欢在跑步时戴上手环，以此来同步检测自己的心跳水平。但是其测量效果并不准确，有时相差甚远。这样，就起不到准确地实时监控、事后分析的功能。测量不准确的原因在于现在的装置所使用的压电传感器都是晶体材料，无法与皮肤贴合。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决心率实时监控的准确性和即时性问题，利用三维石墨烯压力探测器探测心率，并通过读出电路对信号进行后续处理，再通过人机交互让用户实时感知测量结果。本实用新型由柔性石墨烯压力探测器、信号处理系统、人机交互系统及电源系统组成。其中柔性石墨烯压力探测器为三维石墨烯海绵；信号处理系统是探测器的读出电路和放大电路，用于驱动人机交互系统。人机交互系统是LED及其保护电路组成，用户可以根据LED的亮暗变化获得脉搏和心率信息。由于三维石墨烯海绵具有贴合皮肤、压敏系数大的特点，测量结果准确、可信、实时性好。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种可压缩的可穿戴指脉测量装置，该装置包括柔性石墨烯压力探测器、信号处理系统、人机交互系统及电源系统，所述柔性石墨烯压力探测器为三维石墨烯海绵,是无源器件，有两个引出端，定义为正极和负极；

所述信号处理系统由缓冲器、前置放大器、低通滤波器、后置放大器及基准电压源构成，缓冲器、前置放大器、低通滤波器和后置放大器顺次级联连接；缓冲器与柔性石墨烯压力探测器的正极引出端连接；基准电压源为前置放大器、低通滤波器后置放大器提供偏置基准电压；

所述人机交互系统由LED及其保护电阻构成，与后置放大器相连接；

所述电源模块由DC-DC电压芯片构成，为信号处理系统提供电源。

所述信号处理系统的缓冲器由运算放大器U1A构成，负向输入端和输出端连接，正向输入端连接柔性石墨烯压力探测器的输出信号；

所述前置放大器由两个运算放大器U1B、U1C和电阻电容构成，具体形式为：电容C1一端接缓冲器的输出，另一端接运算放大器U1B的正向输入端；电阻R4一端接运算放大器U1B的正向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源的输出；电阻R7和电容C5串联，电阻R7另一端接运算放大器U1B的负向输入端，电容C5另一端接地；电阻R9和电阻R11串联，电阻R9另一端接运算放大器U1B的负向输入端，电阻R11另一端接运算放大器U1B的输出端；电容C2一端接运算放大器U1B的输出端，另一端接运算放大器U1C的正向输入端；电阻R6一端接运算放大器U1C的正向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源的输出；电阻R8和电容C6串联，电阻R8另一端接运算放大器U1C的负向输入端，电容C6另一端接地；电阻R10和电阻R12串联，电阻R10另一端接运算放大器U1C的负向输入端，电阻R12另一端接运算放大器U1C的输出端，即前置放大器的输出；

所述低通滤波器由运算放大器U1D和电阻电容构成，具体形式为：电阻R3一端接运算放大器U1C的输出端，另一端接电容C3，电容C3的另一端接运算放大器U1D的输出端；电阻R5一端和电阻R3、电容C3相接，另一端接运算放大器U1D的正向输入端；电阻R14跨接在运算放大器U1D的负向输入端和输出端之间，电阻R13一端接运算放大器U1D的负向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源的输出；

所述后置放大器由运算放大器U2A和电阻电容构成，具体形式为：电容C9一端接低通滤波器的输出，另一端接运算放大器U2A的正向输入端；电阻R17一端接运算放大器U2A的正向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源的输出；电阻R18和电容C13串联，电阻R18另一端接运算放大器U2A的负向输入端，电容C13另一端接地；电阻R20和电阻R21串联，电阻R20另一端接运算放大器U2A的负向输入端，电阻R21另一端接运算放大器U2A的输出端；

所述基准电压源由运算放大器U2B和电阻电容构成，电阻R16和R19串联，电阻R16另一端接电源，电阻R19另一端接地，二者分压，中间接运算放大器U2B的正相输入端；运算放大器U2B负向输入端和输出端连接，也是基准电压源的输出端；电容C11和C12并联，一端接地，另一端接基准电压源的输出端。

所述三维石墨烯海绵的制备包括：

步骤 1：制备石墨烯分散液

将水溶性石墨烯干料放在烧杯中，随后加入去离子水，得到黑色石墨烯悬浮液；将悬浮液置于恒温磁力搅拌器中，在 35 -40℃下搅拌 10-15 min，之后将分散液放入超声清洗机中超声30 min，得到石墨烯分散液，其浓度为5-25mg/ml；

步骤 2：制备三维石墨烯海绵

在杜瓦瓶中倒入液氮，使用移液枪或者胶头滴管以 5 -10 s 一滴的频率滴入杜瓦瓶快速冷冻；待石墨烯冰粒完全成型后将其取出放入冷冻干燥机中，冷冻干燥 18-24 h后完全去除水分，得到三维石墨烯海绵。

该制备方法的特点是简单、成品大小易调节且贴合皮肤，压力敏感度高。利用该压力探测器测量指脉，能够做到实时反馈。本实用新型包括柔性石墨烯压力探测器、信号处理系统、人机交互系统及电源系统。其中柔性石墨烯压力探测器完成对指尖脉搏的探测；信号处理系统对采集信号进行读出、放大、滤波、整形等操作，并驱动人机交互模块。本实用新型解决了脉搏心率实时监控的准确性和即时性问题。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型压力探测器与缓冲器电路图；

图3为本实用新型前置放大器电路图；

图4为本实用新型低通滤波器电路图；

图5为本实用新型后置放大器电路图；

图6为本实用新型基准电压源电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做详细描述。

本实用新型是基于可压缩的三维石墨烯压力探测器的可穿戴指脉测量装置。

参阅图1，本实用新型包括柔性石墨烯压力探测器1、信号处理系统2、人机交互系统3及电源系统4；所述柔性石墨烯压力探测器1是通过一步合成法制备的三维石墨烯海绵，有两个引出端，本身无正负极性。为叙述方便，定义为正极和负极；所述信号处理系统2由缓冲器21、前置放大器22、低通滤波器23、后置放大器24和基准电压源25构成。

参阅图2，本实用新型信号处理系统2中的缓冲器21由运算放大器U1A构成，负向输入端和输出端连接，正向输入端连接柔性石墨烯压力探测器1的输出信号。

参阅图3，本实用新型信号处理系统2中的前置放大器22由两个运算放大器U1B、U1C和电阻电容构成。电容C1一端接缓冲器21的输出，另一端接运算放大器U1B的正向输入端。电阻R4一端接运算放大器U1B的正向输入端，另一端结参考电压，即基准电压源25的输出。电阻R7和电容C5串联，电阻R7另一端接运算放大器U1B的负向输入端，电容C5另一端接电路的地。电阻R9和电阻R11串联，电阻R9另一端接运算放大器U1B的负向输入端，电阻R11另一端接运算放大器U1B的输出端。电容C2一端接运算放大器U1B的输出端，另一端接运算放大器U1C的正向输入端。电阻R6一端接运算放大器U1C的正向输入端，另一端结参考电压，即基准电压源25的输出。电阻R8和电容C6串联，电阻R8另一端接运算放大器U1C的负向输入端，电容C6另一端接电路的地。电阻R10和电阻R12串联，电阻R10另一端接运算放大器U1C的负向输入端，电阻R12另一端接运算放大器U1C的输出端，即前置放大器22的输出。

参阅图4，本实用新型信号处理系统2中的低通滤波器23由运算放大器U1D和电阻电容构成。电阻R3一端接运算放大器U1C的输出端，另一端接电容C3，电容C3的另一端接运算放大器U1D的输出端。电阻R5一端和电阻R3、电容C3相接，另一端接运算放大器U1D的正向输入端。电阻R14跨接在运算放大器U1D的负向输入端和输出端之间，电阻R13一端接运算放大器U1D的负向输入端，另一端结参考电压，即基准电压源25的输出。

参阅图5，本实用新型信号处理系统2中的后置放大器24由运算放大器U2A和电阻电容构成。电容C9一端接低通滤波器23的输出，另一端接运算放大器U2A的正向输入端。电阻R17一端接运算放大器U2A的正向输入端，另一端结参考电压，即基准电压源25的输出。电阻R18和电容C13串联，电阻R18另一端接运算放大器U2A的负向输入端，电容C13另一端接电路的地。电阻R20和电阻R21串联，电阻R20另一端接运算放大器U2A的负向输入端，电阻R21另一端接运算放大器U2A的输出端。

参阅图6，本实用新型信号处理系统2中的基准电压源25由运算放大器U2B和电阻电容构成。电阻R16和R19串联，一端接电源，一端接电路的地，二者分压，中间接运算放大器U2B的正相输入端。运算放大器U2B负向输入端和输出端连接，也就是基准电压源25的输出端。电容C11和C12并联，一端接电路的地，另一端接基准电压源25的输出端。

所述人机交互系统3由LED及其保护电阻构成，和后置放大器24相连接。

所述电源模块4由TPS63020DC-DC电压芯片构成，为信号处理系统2提供电源。本装置所述电源电压为+5V。

本实用新型所述三维石墨烯海绵按以下步骤得到：

步骤 1：制备石墨烯分散液

将 0.5 g 的水溶性石墨烯干料放在 200 ml 的烧杯中，随后加入 50 ml 的去离子水，得到黑色石墨烯悬浮液。将悬浮液置于恒温磁力搅拌器中，在 35 -40℃下搅拌 10 -15 min，之后将分散液放入超声清洗机中超声约30 min，得到浓度为10 mg/ml 的石墨烯分散液。

步骤 2：制备三维石墨烯海绵

在杜瓦瓶中倒入液氮，方法是使用移液枪或者胶头滴管以 5 s -10 s 一滴的频率滴入杜瓦瓶快速冷冻。待石墨烯冰粒完全成型后将其取出放入冷冻干燥机中，冷冻干燥24 h 后完全去除水分，最终得到三维石墨烯海绵。

实施例

1）三维石墨烯海绵压力探测器制备

探测器的制备方式参阅具体实施方式。在制备过程中，用到的设备和材料有：

普通型FD系列冷冻干燥机，北京德天佑科技发展有限公司

KQ 5200型超声清洗机，杭州博可超声波设备有限公司

O8-2G恒温磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司

2XZ型旋片式真空泵，临海市永昊真空设备有限公司

NewClassic系列MS半微量电子天平，梅特勒-托利多国际贸易有限公司

F110665型杜瓦瓶，北京欣维尔玻璃仪器有限公司

在制备过程中，通过控制分散液的浓度可对三维石墨烯海绵的密度进行微调。对不同浓度分散液的制备出的三维石墨烯海绵密度进行计算可得5 mg/ml分散液制得三维石墨烯海绵密度为0.35×10-2 mg/mm³；10 mg/ml分散液制得三维石墨烯海绵密度为5×10-2mg/mm³；15 mg/ml分散液制得三维石墨烯海绵密度为6.6 × 10-2 mg/mm³。三维石墨烯海绵的密度与制备分散液的浓度正相关。

2）正常工作条件

参阅图1，本实用新型的核心部分是柔性石墨烯压力探测器1和信号处理系统2。柔性石墨烯压力探测器1在工作时应让其充分接触手指尖。信号处理系统2采用两片集成芯片完成，做的非常小，便于穿戴使用。在具体使用时，只需将其正确连接电源即可。

3）信号处理系统

参阅图2-6，信号处理系统由缓冲器、前置放大器、低通滤波器、后置放大器和基准电压源构成。作为便携设备，电路中的运算放大器均使用单电源供电，故需要一个精确的电压源提供偏置电压。本实用新型采用精密电阻分压配合电压跟随器的形式得到基准电压。缓冲器是一个电压跟随器，利用其大输入阻抗、小输出阻抗的特点完成缓冲作用。前置放大器是一个同相放大器，放大倍数为60倍，将微伏级的信号放大到毫伏级。低通滤波器功能有二，一是人的脉搏是低频信号，故滤除高频成分，二是排除工频干扰（50Hz工频干扰信号）。由于人的脉搏最高频率不会超过10Hz，因此将滤波器的截止频率设为10Hz，滚降设为-40dB，低通滤波器采用巴特沃斯结构完成。后置放大器将滤波后的信号再次放大到伏特级别，驱动人机交互系统。

4）检测流程

按要求穿戴本实用新型，并接通电源后，探测器会探测指尖脉搏，并转换成电信号，经过信号处理系统驱动人机交互系统。使用者直接观察到的现象是，LED灯随脉搏的跳动呈呼吸灯状闪烁。也可以模仿现有市场上运动手环的功能，将采集到的信息通过蓝牙等手段发送至手机端。

5）电源系统

本实用新型中，信号处理系统需要电源供电。作为穿戴器件，需要其功耗低，待机时间长，易于携带。因此，采用纽扣电池供电，通过一片TPS63020DC-DC电源芯片获得稳定的直流电压。该电源芯片的标称效率可达到98%。

Claims

1.一种可压缩的可穿戴指脉测量装置，其特征在于，该装置包括柔性石墨烯压力探测器（1）、信号处理系统（2）、人机交互系统（3）及电源系统（4），所述柔性石墨烯压力探测器（1）为三维石墨烯海绵, 是无源器件，有两个引出端，定义为正极和负极；

所述信号处理系统（2）由缓冲器（21）、前置放大器（22）、低通滤波器（23）、后置放大器（24）及基准电压源（25）构成，缓冲器（21）、前置放大器（22）、低通滤波器（23）和后置放大器（24）顺次级联连接；缓冲器（21）与柔性石墨烯压力探测器（1）的正极引出端连接；基准电压源（25）为前置放大器（22）、低通滤波器（23）后置放大器（24）提供偏置基准电压；

所述人机交互系统（3）由LED及其保护电阻构成，与后置放大器（24）相连接；

所述电源系统（4）由DC-DC电压芯片构成，为信号处理系统（2）提供电源。

2.根据权利要求1所述的可穿戴指脉测量装置，其特征在于，所述信号处理系统（2）的缓冲器（21）由运算放大器U1A构成，负向输入端和输出端连接，正向输入端连接柔性石墨烯压力探测器（1）的输出信号；

所述前置放大器（22）由两个运算放大器U1B、U1C和电阻电容构成，具体形式为：电容C1一端接缓冲器（21）的输出，另一端接运算放大器U1B的正向输入端；电阻R4一端接运算放大器U1B的正向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源（25）的输出；电阻R7和电容C5串联，电阻R7另一端接运算放大器U1B的负向输入端，电容C5另一端接地；电阻R9和电阻R11串联，电阻R9另一端接运算放大器U1B的负向输入端，电阻R11另一端接运算放大器U1B的输出端；电容C2一端接运算放大器U1B的输出端，另一端接运算放大器U1C的正向输入端；电阻R6一端接运算放大器U1C的正向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源（25）的输出；电阻R8和电容C6串联，电阻R8另一端接运算放大器U1C的负向输入端，电容C6另一端接地；电阻R10和电阻R12串联，电阻R10另一端接运算放大器U1C的负向输入端，电阻R12另一端接运算放大器U1C的输出端，即前置放大器（22）的输出；

所述低通滤波器（23）由运算放大器U1D和电阻电容构成，具体形式为：电阻R3一端接运算放大器U1C的输出端，另一端接电容C3，电容C3的另一端接运算放大器U1D的输出端；电阻R5一端和电阻R3、电容C3相接，另一端接运算放大器U1D的正向输入端；电阻R14跨接在运算放大器U1D的负向输入端和输出端之间，电阻R13一端接运算放大器U1D的负向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源（25）的输出；

所述后置放大器（24）由运算放大器U2A和电阻电容构成，具体形式为：电容C9一端接低通滤波器（23）的输出，另一端接运算放大器U2A的正向输入端；电阻R17一端接运算放大器U2A的正向输入端，另一端接参考电压，即基准电压源（25）的输出；电阻R18和电容C13串联，电阻R18另一端接运算放大器U2A的负向输入端，电容C13另一端接地；电阻R20和电阻R21串联，电阻R20另一端接运算放大器U2A的负向输入端，电阻R21另一端接运算放大器U2A的输出端；

所述基准电压源（25）由运算放大器U2B和电阻电容构成，电阻R16和R19串联，电阻R16另一端接电源，电阻R19另一端接地，二者分压，中间接运算放大器U2B的正相输入端；运算放大器U2B负向输入端和输出端连接，也是基准电压源（25）的输出端；电容C11和C12并联，一端接地，另一端接基准电压源（25）的输出端。