CN220423882U - 一种压电信号模拟装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电信号模拟装置和系统，压电信号模拟装置中的控制器用于接收心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度；信号发生器用于产生心冲击信号及正弦波信号，其中，心冲击信号的频率与心率正相关，心冲击信号的幅值为心冲击强度，正弦波信号的频率与呼吸率正相关，正弦波信号的幅值为呼吸强度；驱动电路用于对心冲击信号及正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的心冲击信号及正弦波信号传输至电磁铁；电磁铁与永磁体之间感应形成对压电薄膜传感器的磁吸力，以模拟人体的心跳与呼吸体动对压电薄膜传感器的压力。本实用新型能够模拟人体的心跳与呼吸体动对压电薄膜传感器产生的压力。

Description

一种压电信号模拟装置和系统

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种压电信号模拟装置和系统。

背景技术

压电薄膜传感器作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。压电薄膜传感器主要应用于睡眠带，睡眠垫，汽车坐垫等产品上，用于实时监测人体的体动，如呼吸率和心率。压电薄膜传感器在安装到产品上之前，需要对压电薄膜传感器的性能参数进行测试，但目前缺乏模拟人体体动的相关设备。

实用新型内容

本实用新型压电信号模拟装置和系统，能够模拟人体的心跳与呼吸体动对压电薄膜传感器的压力的过程。

为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是提供一种压电信号模拟装置，所述压电信号模拟装置包括：控制器、信号发生器、驱动电路、电磁铁及永磁体；

所述信号发生器分别与所述控制器及所述驱动电路电连接，所述驱动电路还与所述电磁铁电连接，所述永磁体与所述电磁铁相对设置，所述压电薄膜传感器设置于所述电磁铁和所述永磁体之间；

所述控制器用于接收心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度；

所述信号发生器用于产生心冲击信号及正弦波信号，其中，所述心冲击信号的频率与所述心率正相关，所述心冲击信号的幅值为所述心冲击强度，所述正弦波信号的频率与所述呼吸率正相关，所述正弦波信号的幅值为所述呼吸强度；

所述驱动电路用于对所述心冲击信号及所述正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的所述心冲击信号及所述正弦波信号传输至所述电磁铁；

所述电磁铁与所述永磁体之间感应形成对所述压电薄膜传感器的磁吸力，以模拟人体的心跳与呼吸体动对所述压电薄膜传感器的压力。

在一些实施例中，所述信号发生器包括信号源、第一通道和第二通道，所述压电信号模拟装置还包括加法器；所述信号源与所述控制器电连接，所述第一通道分别与所述信号源及所述加法器电连接，所述第二通道分别与所述信号源及所述加法器电连接，所述加法器还与所述驱动电路电连接；所述信号源用于产生心冲击信号及正弦波信号；所述第一通道用于输出所述心冲击信号；所述第二通道用于输出所述正弦波信号；所述加法器用于对所述心冲击信号及所述正弦波信号进行叠加。

在一些实施例中，所述压电信号模拟装置还包括触摸屏，所述触摸屏与所述控制器电连接，所述触摸屏用于接收用户输入的所述心率、所述心冲击强度、所述呼吸率及所述呼吸强度，并将所述心率、所述心冲击强度、所述呼吸率及所述呼吸强度传输至所述控制器。

在一些实施例中，所述压电信号模拟装置还包括显示屏，所述显示屏与所述控制器电连接，所述显示屏用于显示所述心率、所述心冲击强度、所述呼吸率及所述呼吸强度。

在一些实施例中，所述驱动电路包括功率放大器，所述功率放大器分别与所述信号发生器及所述电磁铁电连接，所述功率放大器用于对所述心冲击信号及所述正弦波信号进行功率放大。

在一些实施例中，所述压电信号模拟装置还包括电源，所述电源分别与所述控制器、所述信号发生器及所述驱动电路电连接，所述电源用于为所述控制器、所述信号发生器及所述驱动电路供电。

为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是提供一种压电信号模拟系统，包括如上所述的压电信号模拟装置及上位机，所述上位机与所述控制器电连接，所述上位机用于传输电压信号至所述控制器，所述控制器通过所述电压信号获取心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。

区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种压电信号模拟装置和系统，通过控制器接收心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度，信号发生器生成心冲击信号和正弦波信号，然后通过驱动电路将生成的心冲击信号和正弦波信号经过功率放大后后传输至电磁铁，从而使得电磁体与永磁体之间感应形成对压电薄膜传感器的磁吸力，从而实现了模拟人体的心跳和呼吸。压电薄膜传感器受到的磁吸力的大小和周期的变化随着心冲击信号和正弦波信号大小和周期变化。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例提供的应用场景；

图2是本实用新型实施例提供的一种压电信号模拟系统的结构框图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种压电信号模拟系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

请参阅图1，图1是本实用新型实施例提供的应用场景。

该应用场景中包括压电信号模拟装置100和压电薄膜传感器200。

请参阅图2，图2是本实用新型实施例提供的一种压电信号模拟系统1000的结构框图。压电信号模拟系统1000包括压电信号模拟装置100及上位机300。

其中，压电薄膜传感器200为一种由新型高分子压电材料聚偏氟乙烯制成的传感器，压电薄膜传感灵敏度高，可将微弱的机械振动信号转化为相应电信号。通过压电薄膜传感器200可将人体心脏跳动和人的呼吸而产生的相对压电薄膜传感器200的压电，转化为相应的电信号，从而实现采集用户的生理信号的目的。

请参阅图1和图2，本实用新型实施例提供了一种压电信号模拟装置100。该压电信号模拟装置100包括：控制器10、信号发生器20、驱动电路30、电磁铁40及永磁体50。信号发生器20分别与控制器10及驱动电路30电连接，驱动电路30还与电磁铁40电连接。电磁铁40与永磁体50相对设置，压电薄膜传感器200设置于电磁铁40与永磁体50之间。

其中，控制器10作为一控制器，其可以为通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、单片机、ARM(Advanced RISC Machine，RISC微处理器)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。控制器10还可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。控制器10也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核、或任何其它这种配置。电磁铁40为直流电磁铁，电磁铁40包括线圈和铁芯，线圈缠绕于铁芯。永磁体50是在开路状态下能长期保留较高剩磁的磁体。

在压电信号模拟装置100模拟人体的心脏跳动和人体的呼吸体动过程中，控制器10用于接收心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。信号发生器20用于产生心冲击信号及正弦波信号，其中，心冲击信号的频率与心率正相关，心冲击信号的幅值为心冲击强度，正弦波信号的频率与呼吸率正相关，正弦波信号的幅值为呼吸强度。驱动电路30用于对心冲击信号及正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的心冲击信号及正弦波信号传输至电磁铁40。电磁铁40与永磁体50之间感应形成对压电薄膜传感器200的磁吸力，以模拟人体的心跳与呼吸体动对压电薄膜传感器200的压力。

其中，心冲击信号用于模拟人体的心跳体动对压电薄膜传感器200产生的压力，正弦波信号用于模拟人体的呼吸体动对压电薄膜传感器200产生的压力。心冲击信号为BCG(Ballistocardiogram)。心冲击信号和正弦波信号均为周期信号。

其中，当电磁铁40的线圈中通电时，电磁铁40与永磁体50之间会产生磁吸力。磁吸力的计算公式为：F＝a×(I×W)²。其中，F为磁吸力，单位为牛顿。I为电磁铁40的线圈电流，单位为安培。W为电磁铁40的线圈的匝数。a为一个常数，a的值与电磁铁40的线圈横截面积、铁芯材质、气隙等结构相关。电磁铁40的线圈电流、线圈电阻及线圈电压的关系为：U＝I×R。其中，U为电磁铁40的线圈电压，单位为伏特。I为电磁铁40的线圈电流，单位为安培。R为电磁铁40的线圈电阻，单位为欧姆。

通过上述的磁吸力的计算公式，以及电磁铁40的线圈电流、线圈电阻及线圈电压的关系可知，磁吸力F与线圈电流I的二次方成正比关系，线圈电阻R是定值，线圈电流I与线圈电压U成正比。所以磁吸力F与线圈电压U的二次方成正比关系。可以通过改变电磁铁40中的线圈电压U的大小和周期来改变磁吸力F的大小和周期，磁吸力F的变化则会引起压电薄膜传感器200的压电信号的变化。

请参阅图3，图3是本实用新型实施例提供的另一种压电信号模拟系统1000的结构框图。图3中还包括本实用新型实施例提供的另一种压电模拟装置100。

在一些实施例中，信号发生器20包括信号源202、第一通道和第二通道，压电信号模拟装置100还包括加法器60。

其中，信号源202与控制器10电连接，第一通道分别与信号源202及加法器60电连接，第二通道分别与信号源202及加法器60电连接，加法器60还与驱动电路30电连接。

具体的，信号源202用于产生心冲击信号及正弦波信号。第一通道用于输出心冲击信号，第二通道用于输出正弦波信号。加法器60用于对心冲击信号及正弦波信号进行叠加。

首先，控制器10根据心率计算心冲击信号的频率，并将心冲击强度作为心冲击信号的幅值。控制器10根据呼吸率计算正弦波信号的频率，并将呼吸强度作为正弦波信号的幅值。然后，信号源202与控制器10之间存在通讯协议，控制器10根据该通讯协议向信号源202发送心冲击信号的频率、心冲击信号的幅值、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的频率、正弦波信号的幅值、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号。信号源202根据心冲击信号的频率、心冲击信号的幅值、心冲击信号的启动信号生成心冲击信号，并根据心冲击信号的停止信号停止生成心冲击信号。信号源202还根据正弦波信号的频率、正弦波信号的幅值、正弦波信号的启动信号生成正弦波信号，并根据正弦波信号的停止信号停止生成正弦波信号。该信号源202可采用现有技术中一切合适的信号发生模块或信号发生器件来产生心冲击信号和正弦波信号，在此不需拘泥于本实施例中的限定，其可参照现有技术进行设置。信号源202通过第一通道输出心冲击信号，通过第二通道输出正弦波信号。

最后，加法器60通过第一通道接收心冲击信号并通过第二通道接收正弦波信号，然后将接收到的心冲击信号和正弦波信号按照预设比例进行叠加，得到叠加信号。上述的预设比例可设置为1:1或其它合适的比例。

其中，心率与心冲击信号的频率之间的关系为：HR＝f₁×60。其中，HR为心率，单位为次/分钟；f₁为心冲击信号的频率，单位为次/秒。由心率与心冲击信号的频率之间的关系可知，心冲击信号的频率与心率正相关。

呼吸率与正弦波信号的频率之间的关系为：RR＝f₂×60。其中，RR为呼吸率，单位为次/分钟；f₂为正弦波信号的频率，单位为次/秒。由呼吸率与正弦波信号的频率之间的关系可知，正弦波信号的频率与呼吸率正相关。

具体的，通过压电信号模拟装置100模拟人体的心跳和呼吸体动时，压电薄膜传感器200由于电磁铁40与永磁体50之间磁吸力产生压电信号，与压电薄膜传感器200电连接的设备从压电信号中可解析出心冲击压电信号和呼吸压电信号，该心冲击压电信号的频率、幅值与上述的心冲击信号的频率、幅值一致，该呼吸压电信号的频率、幅值与上述的正弦波信号的频率、幅值一致，则压电薄膜传感器200的功能正常，压电薄膜传感器200合格。

其中，心冲击信号的幅值范围通常为0.1V～0.6V。心冲击强度可以包括多个心冲击强度等级，例如分为心冲击强度低、心冲击强度中、心冲击强度高三个等级。上述的每一心冲击强度等级均对应心冲击信号的幅值范围中一个幅值。正弦波信号的幅值范围通常为0.1V～0.6V。呼吸强度可以包括多个呼吸强度等级，例如呼吸强度等级低、呼吸强度等级中、呼吸强度高三个等级。上述的，每一呼吸强度等级均对应正弦波信号的幅值范围中的一个幅值。

需要说明的是，心冲击信号和正弦波信号的幅值越低，电磁铁40与永磁体50之间的磁吸力越低，心冲击信号和正弦波信号的幅值越高，则电磁铁40与永磁体50之间的磁吸力越高。通过心冲击信号与正弦波信号的幅值和频率的变化，能够模拟人体的心跳与呼吸的幅值和频率变化。

在一些实施例中，驱动电路30包括功率放大器301，功率放大器301分别与信号发生器20及电磁铁40电连接，功率放大器301用于对心冲击信号及正弦波信号进行功率放大。

通过功率放大器301对心冲击信号及正弦波信号的功率进行放大，能够提高压电信号模拟装置100的信号带载能力。

在一些实施例中，压电信号模拟装置100还包括触摸屏70，触摸屏70与控制器10电连接，触摸屏70用于接收用户输入的心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号，并将心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号传输至控制器10。

具体的，用户可以通过触摸屏70输入或是选择心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号，控制器10从触摸屏70接收心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号。

在本实施例中，通过触摸屏70能够实现用户对压电信号模拟装置100的信号输入，方便用户的操作。

在一些实施例中，压电信号模拟装置100还包括显示屏80，显示屏80与控制器10电连接，显示屏80用于显示心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号。

在本实施例中，控制器10将心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号传输至显示屏80，从而在显示屏80上显示当前的心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号等。

具体的，显示屏80与控制器10之间存在通讯协议，控制器10根据该通讯协议向显示屏80发送上述的心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度、心冲击信号的启动信号、心冲击信号的停止信号、正弦波信号的启动信号和正弦波信号的停止信号。该显示屏80可采用现有技术中一切合适的显示模块或成像器件，在此不需拘泥于本实施例中的限定，其可参照现有技术进行设置。

通过设置显示屏80，用户可以直观获取自己设置心率、心冲击强度、呼吸率、呼吸强度，并可以确认对压电信号模拟装置100输入的数据是否正确。

在一些实施例中，压电信号模拟装置100还包括电源90，电源90分别与控制器10、信号发生器20及驱动电路30电连接，电源90用于为控制器10、信号发生器20及驱动电路30供电。

上位机300可为计算机、服务器、远程终端等。

具体的，上位机300与压电信号模拟装置100的控制器10电连接。上位机300用于传输电压信号至控制器10，控制器10通过电压信号获取心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。其中，电压信号可为任意波形的电压信号，控制器10通过对电压信号的波形进行解析，获取得到心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。电压信号还可为指令信号，控制器10通过分析该指令信号能够获取到心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。

在本实施例中，上位机300中可运行有能够控制压电信号模拟装置100的上位机软件，上位机300通过上位机软件可以生成一特定的电压信号。上位机300将该电压信号下发到压电信号模拟装置100的控制器10。控制器10对上述的电压信号进行解析。具体是通过将电压信号进行数据转换，得到与该电压信号对应的心率、心冲击信号、呼吸率及呼吸强度。

在一些实施例中，控制器10将电压信号、与该电压信号对应心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度进行编号与保存。当控制器10接收一个电压信号时，首先会与保存的电压信号对比。若在保存的电压信号中找到与该接收到的电压信号相同的电压信号时，则控制器10无需对该接收到的电压信号进行分析，而是直接获取保存的与该电压信号对应的心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。

本实用新型实施例中提供了一种压电信号模拟装置100，首先通过控制器10接收心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度，信号发生器20生成心冲击信号和正弦波信号，然后通过驱动电路30将生成的心冲击信号和正弦波信号经过功率放大后后传输至电磁铁40，从而使得电磁体40与永磁体50之间感应形成对压电薄膜传感器200的磁吸力，从而实现了模拟人体的心跳和呼吸。压电薄膜传感器200受到的磁吸力的大小和周期的变化随着心冲击信号和正弦波信号大小和周期变化。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种压电信号模拟装置，其特征在于，所述压电信号模拟装置包括：控制器、信号发生器、驱动电路、电磁铁及永磁体；

所述信号发生器分别与所述控制器及所述驱动电路电连接，所述驱动电路还与所述电磁铁电连接，所述永磁体与所述电磁铁相对设置，压电薄膜传感器设置于所述电磁铁和所述永磁体之间；

所述控制器用于接收心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度；

所述信号发生器用于产生心冲击信号及正弦波信号，其中，所述心冲击信号的频率与所述心率正相关，所述心冲击信号的幅值为所述心冲击强度，所述正弦波信号的频率与所述呼吸率正相关，所述正弦波信号的幅值为所述呼吸强度；

所述驱动电路用于对所述心冲击信号及所述正弦波信号进行功率放大，并将功率放大后的所述心冲击信号及所述正弦波信号传输至所述电磁铁；

所述电磁铁与所述永磁体之间感应形成对所述压电薄膜传感器的磁吸力，以模拟人体的心跳与呼吸体动对所述压电薄膜传感器的压力。

2.根据权利要求1所述的压电信号模拟装置，其特征在于，所述信号发生器包括信号源、第一通道和第二通道，所述压电信号模拟装置还包括加法器；

所述信号源与所述控制器电连接，所述第一通道分别与所述信号源及所述加法器电连接，所述第二通道分别与所述信号源及所述加法器电连接，所述加法器还与所述驱动电路电连接；

所述信号源用于产生心冲击信号及正弦波信号；

所述第一通道用于输出所述心冲击信号；

所述第二通道用于输出所述正弦波信号；

所述加法器用于对所述心冲击信号及所述正弦波信号进行叠加。

3.根据权利要求1所述的压电信号模拟装置，其特征在于，所述压电信号模拟装置还包括触摸屏，所述触摸屏与所述控制器电连接，所述触摸屏用于接收用户输入的所述心率、所述心冲击强度、所述呼吸率及所述呼吸强度，并将所述心率、所述心冲击强度、所述呼吸率及所述呼吸强度传输至所述控制器。

4.根据权利要求1所述的压电信号模拟装置，其特征在于，所述压电信号模拟装置还包括显示屏，所述显示屏与所述控制器电连接，所述显示屏用于显示所述心率、所述心冲击强度、所述呼吸率及所述呼吸强度。

5.根据权利要求1所述的压电信号模拟装置，其特征在于，所述驱动电路包括功率放大器，所述功率放大器分别与所述信号发生器及所述电磁铁电连接，所述功率放大器用于对所述心冲击信号及所述正弦波信号进行功率放大。

6.根据权利要求1所述的压电信号模拟装置，其特征在于，所述压电信号模拟装置还包括电源，所述电源分别与所述控制器、所述信号发生器及所述驱动电路电连接，所述电源用于为所述控制器、所述信号发生器及所述驱动电路供电。

7.一种压电信号模拟系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的压电信号模拟装置及上位机，所述上位机与所述控制器电连接，所述上位机用于传输电压信号至所述控制器，所述控制器通过所述电压信号获取心率、心冲击强度、呼吸率及呼吸强度。