光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法

文档序号:25990450发布日期:2021-07-23 21:01阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种光强式高敏压力传感器,其特征在于:包括光源(1)、第一塑料光纤(2)、耦合器(3)、棱柱尖端光纤(4)、传感探头(5)、第二塑料光纤(6)和光电探测器(7);

所述光源(1)通过所述第一塑料光纤(2)与所述耦合器(3)连接,所述传感探头(5)通过所述棱柱尖端光纤(4)与所述耦合器(3)连接,所述光电探测器(7)通过所述第二塑料光纤(6)与所述耦合器(3)连接;所述传感探头(5)包括心率传感探头与压力传感探头两种;所述光源(1)、第一塑料光纤(2)、耦合器(3)、第二塑料光纤(6)和光电探测器(7)均固定设置在光路器件收纳盒中;

所述传感探头(5)包括正交平面弹簧(5.1)、反射镜(5.2)、底板(5.3)、热缩管(5.4)、第一粘接剂(5.5)、第二粘接剂(5.6)和第三粘接剂(5.7);所述反射镜(5.2)与正交平面弹簧(5.1)进行连接,正交平面弹簧(5.1)与底板(5.3)进行连接,所述反射镜(5.2)及正交平面弹簧(5.1)在连接过程中与底板(5.3)保持水平;所述热缩管(5.4)与棱柱尖端光纤(4)紧密配合,之后与底板(5.3)进行连接。

2.根据权利要求1所述的光强式高敏压力传感器,其特征在于:所述底板(5.3)侧壁开有圆孔,上端面开有凹槽,凹槽顶部设有斜面;所述棱柱尖端光纤(4)末端通过圆孔插入后沿凹槽水平布置,纤芯端面与斜面重合。

3.根据权利要求1所述的光强式高敏压力传感器,其特征在于:所述正交平面弹簧(5.1)由固定端(5.1.1)、柔性铰链(5.1.2)和运动平台(5.1.3)组成;

所述运动平台(5.1.3)上端凸起,通过若干条结构相同且位置对称的柔性铰链(5.1.2)与固定端(5.1.1)进行连接;所述固定端(5.1.1)、柔性铰链(5.1.2)、运动平台(5.1.3)均在同一水平面上。

4.一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统,其特征在于:包括感知子系统、控制子系统、网络子系统和应用子系统;所述感知子系统与所述控制子系统连接通信,所述控制子系统通过所述网络子系统与所述应用子系统连接通信;

所述感知子系统由床垫、若干光强式高敏压力传感器、电压采集模块组成;所述传感探头(5)的心率传感探头与压力传感探头分布式布置于所述床垫中;所述若干光强式高敏压力传感器均分别与所述电压采集模块电连接;所述电压采集模块与所述控制子系统电连接。

5.根据要求4所述的基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统,其特征在于:所述电压采集模块包括adc接口、ads1256外围电路和ads电压基准;所述adc接口,在模拟电源和数字电源输入端将单对靠近输入端的陶瓷电容和钮电容并联接入,其中电容较小者更靠近ads芯片;所述ads1256外围电路,将外部晶振尽可能地靠近ads1256,通过改变晶振两端电容来调整输入幅值的大小;为了保持ads1256性能,需提供具有极低的噪声和温漂的纯净电源,所述ads电压基准,采用电压基准icadr4525arz将输入的5v电压转为低噪声的2.5v的基准电压,在输入端采用rc低通滤波器来限制高频噪声,输入线越短越好。

6.根据要求4所述的基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统,其特征在于:所述控制子系统包括微处理器、串口屏和上位机;所述微处理器分别与所述串口屏和上位机电连接,负责协调不同模块的工作;所述串口屏,为usarthmi智慧串口屏,屏幕型号为tjc3224t022_011,支持电阻式触摸和mcu管脚资源,用于实时显示八通道的电压值。

7.根据要求4-6任意一项所述的基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统,其特征在于:所述网络子系统nb-iot模块、核心网和onenet云平台;

所述nb-iot模块,包括唤醒复位控制、sim座、bc26外围电路与通信电平转换;所述bc26外围电路的内部电源直接通过sim座vdd接口给sim座供电;所述控制子系统与nb-iot模块之间通过电平转换芯片实现电平匹配,所述电平转换芯片是基于ti公司的txso108epwr电平转换芯片,具备两个独立电源轨,a端口跟踪vcca引脚的电源电压,b端口跟踪vccb引脚的电源电压,通过两个输入电源引脚可实现1.8v和3.3v电压节点之间的任意低压双向转换。

8.一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法,其特征在于:对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器,通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率,得出睡姿种类与心率参数;

其中,针对光强式高敏压力传感器,通过对柔性铰链(5.1.2)进行受力分析以计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s,其中柔性铰链(5.1.2)运动端h受载荷f产生的总位移δ由柔性铰链弯曲变形导致的位移δ1与扭转变形导致的位移δ2组合而成。

9.根据权利要求8所述基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法,其特征在于:所述计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s,具体实现包括以下步骤:

步骤1:求解柔性铰链弯曲变形导致的位移δ1;

联立公式(1)与(2),得莫尔定理表达式如下:

其中,为单位力引起的内力、m(x)为原载荷引起的内力、e是材料杨氏模量、i为杆惯性矩、x为杆上任一截面与受力端的距离;

柔性铰链梁左右对称,由于左右梁变形形况相同,取左侧梁ab、cd及中间梁eg进行具体受力分析:

(1)计算原载荷作用下的弯矩方程;

柔性铰链(5.1.2)初始处于水平状态,运动端h受向下载荷f,根据力平移定理可将力f由运动端h平移至g点,此时杆ab、cd与eg均会受方向向下的力与方向向上的弯矩产生“之”字变形,杆上任意截面的弯矩分别为:

其中,a为力f的平移距离,x1x2与x3分别为杆eg、cd与ab上任意截面与g点的水平距离;

(2)计算单位载荷作用下的弯矩方程;

将载荷f更换为一个向下的单位载荷,此时杆eg、cd与ab上任意截面的弯矩分别为:

(3)基于单位载荷法求解柔性铰链弯曲变形导致的位移δ1;

其中,l1、l2与l3分别为杆eg、cd与ab的变形长度,b为杆宽,d为杆厚;

步骤2:求解扭转变形导致的位移δ2;

基于材料力学计算杆ab产生的扭转角度σ:

其中,g为且切变模量,ν为泊松比,ip为杆极惯性矩;

故扭转变形导致的位移δ2为:

其中,b为杆宽、c为杆间距;

步骤3:计算载荷f作用下运动端h的总位移δ;

基于公式(6)与公式(11),载荷f作用下运动端h的总位移δ为:

步骤4:计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s;

所述压力传感器灵敏度计算需将载荷f′转换为压力p:

其中,f′为作用于运动平台的载荷、s为运动平台面积;

所述运动平台5.1.3通过四条柔性铰链5.1.2与固定端5.1.1进行连接,当载荷f′垂直作用于运动平台5.1.3上时,其中一组柔性铰链5.1.2所受的力据此计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s;

10.根据权利要求8或9所述基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法,其特征在于:所述通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率,得出睡姿种类与心率参数;是基于心率提取算法与睡姿识别算法对储存心率信号的单个通道与储存睡姿信号的七个通道的数据进行分析处理:

所述心率提取算法,首先使用巴特沃兹滤波器除去心跳原始数据的噪声与漂移;然后基于svd的成分分解法将呼吸信号除去,做平滑处理以突出心跳信号,基于波峰提取算法记录数据得到最终结果;

所述睡姿识别算法,首先采用滤波器去除睡姿信号随机噪声,基于七个压力传感探头绘制压力分布图,通过若干次测试获取统计样本;然后基于对称和平衡的特征进行人体压力分布图特征提取,采用决策树法对睡眠姿势进行分类;最后对用户床垫采集到的压力分布图进行特征提取,结合分类后的样本进行对比分析,得到用户睡姿参数。


技术总结
本发明公开了一种光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法,系统包括感知子系统、控制子系统、网络子系统和应用子系统;感知子系统与控制子系统连接通信,控制子系统通过网络子系统与应用子系统连接通信;感知子系统由床垫、若干光强式高敏压力传感器、电压采集模块组成;传感探头的心率传感探头与压力传感探头分布式布置于床垫中;若干光强式高敏压力传感器均分别与电压采集模块电连接;电压采集模块与控制子系统电连接。本发明对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器,通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率,得出睡姿种类与心率参数。本发明可实现心率在线监测并分析睡姿,提升老人/病患的睡眠质量与突发救治率。

技术研发人员:李天梁;裴青峰;梁宇晨;秦骁;谭跃刚;周祖德
受保护的技术使用者:武汉理工大学
技术研发日:2021.04.13
技术公布日:2021.07.23
当前第2页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1