一种织物传感器设计方法及织物呼吸测量装置与流程

本发明涉及一种传感器设计方法及呼吸测量装置，特别是关于一种在人体信号测量领域中使用的基于呼吸感应体积描记法的织物传感器设计方法及织物呼吸测量装置。

背景技术：

在人体正常生理活动中，呼吸信号和呼吸率等生理信息是反映心肺功能健康状况的重要指标，呼吸率对心血管、气管和支气管等呼吸类疾病和肥胖症等慢性疾病的诊断与治疗具有十分重要的意义。随着电子学、测量科学和临床医学等学科的发展，呼吸信号测量方法以及信号传感装置的研究近年来也在逐渐增加。

呼吸信号测量方法主要有压电呼吸测量法、胸阻抗法和呼吸感应体积描记法等方法。压电呼吸测量法是利用呼吸过程中胸腔的物理体积变化产生的压力作为测量对象，采用应变传感器实现呼吸信号测量。胸阻抗法是基于呼吸过程中胸腔体积扩张、收缩过程中胸腔电阻发生变化的特点，通过对胸腔两点之间导入高频低电流交流信号，以胸腔固定点之间作为待测区域胸腔电阻，通过测量阻抗变化，实现呼吸信号测量。呼吸感应体积描记法是在胸腔部位围绕以正弦波等形式排列的金属线圈，以胸腔围绕的金属线圈作为待测电感，以电感值的变化作为测量对象，间接实现呼吸测量。呼吸感应体积描记法在实际测量中，是由于呼吸过程中胸腔产生物理体积变化，线圈随着呼吸产生节律伸缩，由此导致线圈电感发生周期性变化，对该线圈电感串并联电容，构成谐振电路；电感线圈随着呼吸过程，胸腔变化伸缩变形，谐振电路频率随之发生变化，通过测量谐振频率的变化，实现对呼吸信号的测量。

在穿戴式呼吸信号、呼吸频率测量中，压电呼吸测量法中应变传感器的测量精度与胸腔接触压力大小成比例关系，不适合运动中测量；胸阻抗法的测量原理则需要电路中不断通入高频小电流信号作为激励信号源，该方法对患有心脑血管疾病的测量者存在安全隐患，不适合长时间测量；而以金属线圈构造的电感作为测量载体的呼吸感应体积描记法则无法解决穿戴舒适性、测量线圈标准化等问题，所以同样不适合长时间穿戴式呼吸信号、呼吸率测量。以上三种方法因其测量原理和测量方式的固有原因，都不适合运动状态下的呼吸信号和呼吸率测量。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种织物传感器设计方法及织物呼吸测量装置，其适合日常生活以及运动状态中的呼吸信号和呼吸率监测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种织物传感器设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：1)在镀银导电纱线通入交流电流时，镀银导电纱线的内部及其周围产生交变磁通；2)如果磁路的导磁系数为常数，则与镀银导电纱线的磁链ψ和电流I呈线性关系，镀银导电纱线的自感L为：

3)当长度为l的镀银导电纱线通入电流时，镀银导电纱线的外部和内部均产生磁通，镀银导电纱线的自感也由内电感L_i和外电感L_e构成；4)电流I沿镀银导电纱线的截面均匀分布，根据环路安培定律，以镀银导电纱线轴线为中心，x为半径的圆周作为积分路径，则：

式中，为距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度；r为镀银导电纱线的半径；5)得到距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度为：

6)镀银导电纱线的导磁系数为μ，则距镀银导电纱线轴线x处的磁感应强度B_x为：

7)在距镀银导电纱线轴线x处取一宽度为dx、长度为1的面积，则该磁通dφ_i为：

8)磁通dφ_i所交链的镀银导电纱线匝数为即相应的磁链dψ_i为：

9)镀银导电纱线内部的总磁链为：

式中，对于非铁磁材料纱线的导磁系数μ≈μ₀；10)镀银导电纱线单位长度的内电感L_i为：

11)镀银导电纱线的外电感L_e与镀银导电纱线外部磁链有关，从镀银导电纱线外一点来看，镀银导电纱线中的电流集中于纤维线的轴线上，取镀银导电纱线的轴线作为y轴，镀银导电纱线的一个端点作为原点，在镀银导电纱线外任取一点P(x,y)，根据毕奥-萨伐尔定律，在无限大均匀媒质中电流微段Idy₁在其附近的P(x,y)点所引起的磁感应强度dB为：

式中，d表示此微段到P(x,y)点的距离，即：d²＝x²+(y-y₁)²；α表示该距离矢径和微段方向间的夹角，即：

12)当周围介质是空气时，μ＝μ₀，镀银导电纱线在P(x,y)点的磁感应强度为：

13)镀银导电纱线外部的总磁链为：

试中，l＞＞r；

14)镀银导电纱线每单位长度的外电感为：

15)镀银导电纱线每单位长度的电感为：

16)镀银导电纱线的电感与镀银导电纱线的位置有关，当改变镀银导电纱线之间的距离时，镀银导电纱线的电感将随之发生改变，因此通过测量镀银导电纱线电感的变化量，进而获得呼吸信号和呼吸率。

一种织物呼吸测量装置，其特征在于它包括织物传感器、信号接入线、谐振感应电路、引出线和信号调理电路；所述织物传感器一端与所述信号接入线连接，所述信号接入线另一端与所述谐振感应电路连接，所述织物传感器另一端与所述引出线一端连接，所述引出线另一端分别与所述谐振感应电路和所述信号调理电路连接。

优选地，所述织物传感器由弹性衬底、粘连扣和镀银导电纱线构成；所述弹性衬底的两端各设置有两个所述粘连扣，所述镀银导电纱线设置在所述弹性衬底上，所述镀银导电纱线一端与所述信号接入线一端连接，所述镀银导电纱线另一端与所述引出线一端连接。

优选地，所述弹性衬底由弹性材料构成，所述弹性衬底为120cm*6cm*2m。

优选地，所述镀银导电纱线以三角波形式设置在所述弹性衬底上构成可拉伸的织物电感。

优选地，所述镀银导电线纱线构成的三角波周期长度为4cm，所述镀银导电纱线以细度为1200D的尼龙为基底，含银量33％，电阻为4～6欧姆/厘米，屏蔽电磁频率为0.1MHz到30GHz，其屏蔽效果达到50dB以上。

优选地，所述谐振感应电路由第一电容、第二电容、第三电容和三极管构成；所述引出线分别与所述第一电容一端、所述三极管的基极和所述信号调理电路连接，所述第一电容的另一端分别与所述第二电容一端和所述第三电容一端连接，所述第二电容的另一端分别与所述信号接入线一端和所述三极管集电极连接，所述第三电容的另一端与所述三极管的发射极连接。

优选地，所述谐振感应电路采用谐振感应的方式输出振荡波形。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用镀银导电纱线，纱线柔软、弹性好，测量呼吸信号和呼吸率更加方便。2、本发明基于呼吸感应体积描记法作为基本测量原理，以镀银导电纱线为呼吸信号测量装置，更适合于运动状态下的呼吸监测，呼吸测量的实用性方面有了很大提升。3、本发明采用织物呼吸测量传感器，适合便携式穿戴设备的呼吸测量，可满足对运动过程中呼吸率的准确测量。4、本发明采用织物呼吸测量传感器，可以对心脑血管病人、亚健康病人和呼吸类疾病患者进行实时健康监测，也可对运动锻炼佩戴者和高危环境作业的工作人员进行健康监护。

附图说明

图1是本发明中织物呼吸测量装置结构示意图；

图2是本发明的谐振电路和信号调理的电路示意图；

图3是本发明的织物呼吸测量装置流程示意图；

图4是本发明的镀银纱线工作原理示意图；其中，实现表示镀银导电纱线原始位置，虚线表示镀银导线纱线运动后位置；

图5是本发明的信号调理流程示意图；

图6是本发明的呼吸信号拾取流程示意图；

图7是本发明的呼吸率测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种织物呼吸测量装置，其包括织物传感器、信号接入线4、谐振感应电路5、引出线6和信号调理电路7；织物传感器由弹性衬底1、粘连扣2和镀银导电纱线3构成。弹性衬底1的两端各设置有两个粘连扣2，用于将弹性衬底1固定在人体上，镀银导电纱线3设置在弹性衬底1上，镀银导电纱线3一端与信号接入线4一端连接，信号接入线4另一端与谐振感应电路5连接，镀银导电纱线3的另一端与引出线6一端连接，引出线6另一端分别与谐振感应电路5和信号调理电路7连接。在胸腔吸气、呼气过程中，因胸腔体积变化，镀银导电纱线3发生扩张、收缩，导致镀银导线纤维线的电感值发生变化，由信号调理电路7将镀银导电纱线3所引起变化的电感引入到谐振感应电路5中，通过鉴频的方法解调该谐振感应电路产生的信号频率，实现测量呼吸信号以及呼吸率。

上述实施例中，弹性衬底1由弹性材料构成，弹性衬底为120cm*6cm*2m。

上述各实施例中，镀银导电纱线3以三角波形式设置在弹性衬底1上构成可拉伸的织物电感，镀银导电线纱线3构成的三角波周期长度为4cm，镀银导电纱线3以细度为1200D的尼龙为基底，含银量33％，电阻为4～6欧姆/厘米，屏蔽电磁频率为0.1MHz到30GHz，其屏蔽效果达到50dB以上。镀银导电纱线3具有银特有的优异导电性能，同时又具有良好的纺织性能，除此以外其弹性要远远超过其它金属线，通过测量镀银导电纱线3电感的变化来测量相应物理量的变化。

上述各实施例中，谐振感应电路5由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和三极管T构成。引出线6分别与第一电容C1一端、三极管T的基极和信号调理电路7连接，第一电容C1的另一端分别与第二电容C2一端和第三电容C3一端连接，第二电容C2的另一端分别与信号接入线4一端和三极管T集电极连接，第三电容C3的另一端与三极管T的发射极连接。

上述各实施例中，如图3所示，一种织物呼吸测量装置的工作过程如下：

1)在胸腔吸气、呼气过程中，胸腔体积变化，使镀银导电纱线发生扩张、收缩，如图4所示；

2)镀银导电纱线的电感发生变化，进而使谐振感应电路谐振频率发生周期性变化；

3)通过限幅放大将谐振感应电路产生的正弦波U_FM转变为具有疏密分布状态的方波U₁，对方波进行求微分操作得到三角波U₂，并对其半波整流，如图5、图6所示；

4)输出倒置的三角波U₃，以倒置三角波U₃作为单稳态触发信号，输出与倒置三角波U₃疏密相关的矩形波U₄；

5)对矩形波U₄进行鉴频，解调出呼吸信号U₀，实际测量中获得的呼吸信号波形，如图7所示，取呼吸信号两个波峰间时间间隔，测量获得呼吸率。

上述步骤3)中，谐振感应电路5采用谐振感应的方式输出振荡波形。

本发明还提供一种织物传感器的设计方法，其具体步骤如下：

1)在镀银导电纱线内通入交流电流时，在镀银导电纱线的内部及其周围产生交变磁通，镀银导电纱线的磁通量与产生此磁通的电流之比为电感值；

2)如果磁路的导磁系数为常数，则与镀银导电纱线的磁链ψ和电流I呈线性关系，镀银导电纱线的自感L为：

3)当长度为l的镀银导电纱线通入电流时，镀银导电纱线的外部和内部均产生磁通，镀银导电纱线的自感也由内电感L_i和外电感L_e构成；

4)电流I沿镀银导电纱线的截面均匀分布，根据环路安培定律，以镀银导电纱线轴线为中心，x为半径的圆周作为积分路径，则：

式中，为距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度；r为镀银导电纱线的半径；

5)由式(2)可以得到距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度为：

6)镀银导电纱线的导磁系数为μ，则距镀银导电纱线轴线x处的磁感应强度B_x为：

7)在距镀银导电纱线轴线x处取一宽度为dx、长度为1的面积，则该磁通dφ_i为：

8)磁通dφ_i所交链的镀银导电纱线匝数为即相应的磁链dψ_i为：

9)镀银导电纱线内部的总磁链为：

式中，对于非铁磁材料纱线的导磁系数μ≈μ₀；

10)镀银导电纱线单位长度的内电感L_i为：

11)镀银导电纱线的外电感L_e与镀银导电纱线外部磁链有关，从镀银导电纱线外一点来看，镀银导电纱线中的电流集中于纤维线的轴线上，取镀银导电纱线的轴线作为y轴，镀银导电纱线的一个端点作为原点，在镀银导电纱线外任取一点P(x,y)，根据毕奥-萨伐尔定律，在无限大均匀媒质中电流微段Idy₁在其附近的P(x,y)点所引起的磁感应强度dB为：

式中，d表示此微段到P(x,y)点的距离，即：d²＝x²+(y-y₁)²；α表示该距离矢径和微段方向间的夹角，即：

12)当周围介质是空气时，μ＝μ₀，镀银导电纱线在P(x,y)点的磁感应强度B_P为：

13)镀银导电纱线外部的总磁链为：

式中，l＞＞r；

14)镀银导电纱线每单位长度的外电感L_e为：

15)镀银导电纱线每单位长度的电感L为：

16)由式(13)可知镀银导电纱线的电感与镀银导电纱线的位置有关，当改变镀银导电纱线之间的距离时，镀银导电纱线的电感将随之发生改变，因此可通过测量镀银导电纱线电感的变化量，进而获得呼吸信号和呼吸率。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。