具有检测压力、湿度和收集能量功能的足底压力传感器的制作方法

本实用新型属于医疗设备技术领域，检测足底的压力、湿度并进行修正，具体地说是一种具有检测压力、湿度和收集能量功能的足底压力传感器。

背景技术：

随着生活水平的提高，人体健康成为人们关注的重要问题。据生物全息理论，足部关联着人体的五脏六腑和各个器官，并有其相应的反射区，由此可见，足部与人体健康长寿存在着密切的关系。

人体足底压力的分布情况可以反映下肢的功能和身体姿态的变化。对足底各点压力参数进行测试和分析，可以获取人体在不同运动状态下的生理学和病理学参数，这对临床疾病诊断、术后效果评价、康复程度评估等研究均有重要的意义。

传统的足底压力传感器大多受环境湿度影响大。当接触和离开传感器时，足部与传感器的电极间形成电容，该电容的介电常数随空气湿度变化较大，如果不进行补偿修正，会给测量带来较大的误差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种具有检测压力、湿度和收集能量功能的足底压力传感器，不仅能够检测足底的压力和湿度还能修正因湿度影响造成的压力测量误差。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种具有检测压力、湿度和收集能量功能的足底压力传感器，包括信号采集部分和电路部分，其中，

一）信号采集部分

所述信号采集部分包括至少一个检测单元，所述检测单元包括自上而下依次设置的湿度敏感材料层、压电薄膜层和第一电极层，所述湿度敏感材料层与压电薄膜层之间设置有具有间隔的第二电极和第三电极；

所述第三电极、压电薄膜层和第一电极一起组成压力检测组；所述第二电极与第三电极通过边缘效应形成电容，第二电极和第三电极之间的湿度敏感材料作为介电层，三者一起组成湿度检测组；

二）电路部分

所述电路部分包括前端电路和后端电路；

所述前端电路包括控制器和多路调制器，所述控制器的信号输出端通过多路调制器分别与第二电极和第三电极的信号输入端相连；

所述后端电路为第一后端电路或第二后端电路；

a.第一后端电路

所述第一后端电路包括依次串接的第一多路解调器、第一模数转换单元、第一中央处理器、通讯设备和上位机；

所述压力检测组和湿度检测组的信号输出端均与第一多路解调器的信号输入端相连；

b.第二后端电路

所述第二后端电路包括依次串接的第二多路解调器、滤波单元、第二模数转换单元、第二中央处理器、第二通讯设备和第二上位机；

所述滤波单元包括并联的低通滤波器和带通滤波器，第二模数转化单元包括并联的第一模数转换器和第二模数转换器，所述低通滤波器的信号输出与第一模数转换器的信号输入端相连，带通滤波器的信号输出端与第二模数转换器的信号输入端相连；压力检测组和湿度检测组的信号输出端均与第二多路解调器的信号输入端相连。

所述电路部分还包括电源模块，第二电极作为能量收集组、与所述电源模块的输入端相连，所述电源模块的输出端与前端电路的电源输入端以及后端电路除第一上位机/第二上位机之外的组件的电源输入端相连。

作为限定：所述第二电极和第三电极的横截面是梳状结构，二者的分支相互交叉形成梳状交叉的电容。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型能够同时测出压力和湿度，大大提高了传感器的准确度，弥补了现有产品的缺陷；

（2）本实用新型的第二电极和第三电极形成梳状交叉的电容，用于测量湿度，大大增加电容值，提高精确度；

（3）本实用新型采用无源的压电薄膜，并利用其正压电特性，对机械能转化成的电能进行收集，为后端电路进行供电，具有低能耗的优点；

（4）本实用新型的结构简单、巧妙，利用时序控制、压电薄膜材料的特性和电极间的边缘效应，在一个检测单元上实现了多种功能，同时实现了能量收集和对压力、湿度的测量；

（5）本实用新型可以制作成鞋垫式阵列传感器，检测足底多点处力的变化，从而检测被试者步行时整个足底压力分布的变化，对临床疾病诊断、术后效果评价、康复程度评估等研究均有重要的意义。

本实用新型适用于医疗设备技术领域。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的湿度检测组的横截面示意图；

图3为本实用新型实施例的原理框图；

图4为本实用新型实施例采用第二种结构的后端电路的原理图；

图5为本实用新型实施例中，一段步行过程中一个小电极对应的鞋垫区域测得正应力的信号图。

图中：1、湿度敏感材料层，2、第二电极及第三电极层，21、第二电极，22、第二电极，3、压电薄膜层，4、第一电极层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一种足底压力鞋垫

本实施例涉及一种足底压力鞋垫，其包括信号采集部分和电路部分。如图１和图2所示，信号采集部分包括至少一个检测单元，检测单元包括自上而下依次设置的湿度敏感材料层1、第二电极及第三电极层2、压电薄膜层3和第一电极层4，第二电极及第三电极层2设置有多个具有间隔的按照足底形状分布的电极组，每个电极组包括横截面都是梳状结构第二电极21和第三电极22，第二电极21和第三电极22的分支相互交叉形成梳状交叉的电容；第三电极22、压电薄膜层3和第一电极一起组成压力检测组；第二电极21与第三电极22通过边缘效应形成电容，第二电极21和第三电极22之间的湿度敏感材料作为介电层，三者一起组成湿度检测组，第二电极21作为能量收集组。

如图3所示，电路部分包括前端电路、后端电路和电源模块；前端电路包括控制器和多路调制器，所述控制器的信号输出端通过多路调制器分别与第二电极21和第三电极22的信号输入端相连；后端电路包括依次串接的第一多路解调器、第一模数转换单元、第一中央处理器、第一通讯设备和第一上位机；压力检测组和湿度检测组的信号输出端均与第一多路解调器的信号输入端相连，能量收集组的输出端与电源模块的输入端相连，电源模块的输出端与前端电路的电源输入端以及后端电路除第一上位机之外的组件的电源输入端相连。

本实施例的后端电路还可以采用如图4所示的结构，它包括依次串接的第二多路解调器、滤波单元、第二模数转换单元、第二中央处理器、第二通讯设备和第二上位机；滤波单元包括并联的低通滤波器和带通滤波器，第二模数转化单元包括并联的第一模数转换器和第二模数转换器，低通滤波器的信号输出与第一模数转换器的信号输入端相连，带通滤波器的信号输出端与第二模数转换器的信号输入端相连；压力检测组和湿度检测组的信号输出端均与第二多路解调器的信号输入端相连。

采用本实施例实现检测压力、湿度和收集能量的方法有两种，当采用图3所示的后端电路时，该方法为方法一，包括依次进行的以下步骤：

一、通过控制器将一频率为的交流电压信号输出至多路调制器，多路调制器将收到的交流电压/电流信号调制之后输出至第二电极21和第三电极22；

当第二电极21和第三电极22对应的传感器外表的湿度发生变化时，湿度敏感材料层1的介电常数发生变化，第二电极21和第三电极22之间产生互感电容，湿度检测组将含有所述互感电容信息的交流模拟电信号输出至第一多路解调器；当检测单元所受压力发生变化时，压电薄膜层3表面产生电荷并进一步形成交流模拟电流信号；

检测单元将含有所述互感电容信息的交流模拟电压信号和压力值变化的交流模拟电流信号输出至第一模数转换单元；

二、第一模数转换单元将收到的混合模拟电信号转化为数字信号，并输出至第一中央处理器；

三、第一中央处理器利用自身存储的带通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含互感电容信息的数字信号，第一中央处理器利用自身存储的低通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含压力信息的数字信号；

四、第一中央处理将包含互感电容信息的数字信号计算处理得到互感电容随时间变化值并通过第一通讯设备输出至第一上位机，第一中央处理将包含压力信息的数字信号计算处理得到压力信号并通过第一通讯设备输出至第一上位机；

五、第一上位机根据收到的互感电容随时间变化值计算出修正后的压电常数，第一上位机根据收到的压力信号计算出检测单元的总电荷数，最后计算出压力修正值。

当采用图4所示的后端电路时，本实施例采用方法二，按照以下步骤顺序进行：

（一）通过控制器将一频率为的交流电压信号输出至多路调制器，多路调制器将收到的交流电压/电流信号调制之后输出至第二电极21和第三电极22；

当第二电极21和第三电极22对应的传感器外表的湿度发生变化时，湿度敏感材料层1的介电常数发生变化，第二电极21和第三电极22之间产生互感电容，湿度检测组将含有所述互感电容信息的交流模拟电信号输出至第二多路解调器；当检测单元所受压力发生变化时，压电薄膜层3表面产生电荷并进一步形成交流模拟电流信号；

检测单元将含有所述互感电容信息的交流模拟电压信号和压力值变化的交流模拟电流信号输出至滤波单元；

（二）滤波单元将收到的混合模拟电信号经过低通滤波器的处理得到含有压力变化的交流模拟电信号并输出至第一模数转换器，滤波单元将收到的混合模拟电流信号经过带通滤波器的处理得到含互感电容信息的交流模拟电信号并输出至第二模数转换器；

（三）第一模数转换器将收到的含有压力变化的交流模拟电信号转化为数字信号并输出至第二中央处理器，第二模数转换器将收到的含互感电容信息的交流模拟电信号转化为数字信号并输出至第二中央处理器；

（四）第二中央处理器将从第一模数转换器收到的数字电信号进行计算处理得到压力信号并通过第二通讯设备输出至第二上位机，第二中央处理器将从第二模数转换器收到的数字信号进行计算处理得到互感电容随时间变化值并通过第二通讯设备输出至第二上位机；

（五）第二上位机根据收到的互感电容随时间变化值计算出修正后的压电常数，第二上位机根据收到的压力信号计算出检测单元的总电荷数，最后计算出压力修正值。

在方法一和方法二进行的整个过程中，电源模块将第二电极21产生的电荷收集，并向前端电路和第一后端电路/第二后端电路供电，在此过程中，通过时序控制，使收集能量和电容测量轮流进行。时序控制的过程是，利用多路调制器进行控制，使后端电路在收集能量和检测电容之间切换。因为湿度变化相对缓慢，使第二电极21多数时候收集能量，每隔5s左右检测一次电容。

如图4所示，是一段步行过程中一个小电极对应的鞋垫区域测得正应力的信号图，信号正向上升阶段表示脚正逐渐踩向鞋垫，正应力增加，随后电荷被消耗；信号反向下降阶段表示足部逐渐离开地面，正应力减小。

对于每一湿度检测单元，根据互感电容随时间变化值，可以算出湿度敏感材料层1的介电常数随时间的变化值，再结合湿度敏感材料介电常数-湿度的对应关系可以求出湿度随时间的变化数据。因为压电常数的大小与对应材料的介电常数成正比，所以，根据压电材料介电常数-湿度的对应关系，再结合求得的湿度随时间的变化数据，可以得到修正湿度后的压电薄膜层3的压电常数：

根据压电关系式可以得到压电薄膜层3平面上采集到的电荷密度与正应力的关系式，其中σ为与薄膜平面方向相垂直的正应力。

则修正湿度后的足底压力随时间的变化为：

本实施例中，电源模块利用桥式整流电路对第二电极21上的电荷进行收集，利用电源模块包括的电容进行储存，所储存能量可以由下式计算：

其中，u表示该电容的电压。