柔性光纤感应薄膜及包含所述薄膜的垫子及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤感应薄膜领域，具体涉及一种柔性光纤感应薄膜及包含所述薄膜的垫子及其使用方法，所述柔性光纤感应薄膜可用于检测人体单个或多个生命体征。
【背景技术】
[0002]目前，使用压电式传感器检测睡在床或者床垫上的人体的呼吸率、心率和受试人的活动情况。通常，压电式传感器安装在感应垫子表面，并嵌入到床或者床垫内。压电式传感器有非常高的直流输出阻抗，并可以模拟成一个成比例的电源和滤波网络。如图1所示，输出电压是直接与其作用力、压力或者拉力成比例的。由于压电式传感器材料的作用，输出电压范围相对于拉力/压力会变化。压电式传感器可以由压电式陶瓷(压电换能器陶瓷)或单晶材料组成。这些材料都是坚硬的并且随着时间的推移敏感度会下降。这种敏感度的下降与温度的升高有很高的相关性。压电式传感器对很多物理因素也很敏感，且当它震动时会输出一个错误的信号。压电式传感器的另一个主要缺点是不能应用于真正的静态测量。静力将导致压电式材料上有固定数量的电荷，这就意味着一旦压力或重量达到稳定状态，压电式传感器的输出电压就会消失。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种柔性光纤感应薄膜，可以检测受试人的存在、活动、呼吸率和心率，以及一种包含所述柔性光纤感应薄膜的垫子及其使用方法。目的在于克服压电式传感器材料坚硬、随着时间的推移敏感度下降和压电式传感器不能用于静态测量的缺点。
[0004]本发明为解决技术问题所提出的技术方案如下:
[0005]一方面，提供一种柔性光纤感应薄膜。所述柔性光纤感应薄膜包括夹层和安装在夹层中的光纤。夹层由上层薄膜和下层薄膜组成;光纤夹在上层薄膜和下层薄膜之间。在上层薄膜和下层薄膜上安装有突起物紧靠光纤，当人体躺在所述柔性光纤感应薄膜上移动时，在光纤中产生光损耗。
[0006]在一种实施方式中，上层薄膜的突起物和下层薄膜的突起物是面对面的，直接压在光纤上。
[0007]在另一个实施方式中，两片保护膜嵌入夹层中且夹住光纤。
[0008]在另一个实施方式中，上层薄膜的突起物和下层薄膜的突起物都朝向同一个方向，这样只有上层薄膜的突起物或只有下层薄膜的突起物直接压在光纤上。
[0009]在另一个实施方式中，一片保护膜嵌入夹层中，且是在光纤与上层薄膜或者光纤与下层薄膜之间，这样光纤不能接触突起物。
[0010]在另一个实施方式中，上层薄膜和下层薄膜是背靠背的，这样没有突起物接触光纤。
[0011]另一方面，提供了一种包含所述柔性光纤感应薄膜的垫子。所述垫子还包括可编程LED驱动、光源、光传感器和处理器。所述可编程LED驱动的输出端与光源相连，光源与所述光纤的一端相连，所述光纤的另一端与光传感器相连;所述处理器传输控制信号以驱动所述可编程LED驱动提供LED电流给所述光源;所述光源由LED电流驱动发光并将光传输到所述光纤中；所述光传感器检测由光纤引起的光损耗信号。所述处理器处理由所述光传感器传输来的光损耗信号，以完成生命体征的检测。
[0012]在一个实施方式中，所述处理器、可编程LED驱动、光源、光传感器集成在垫上电子装置中。所述垫上电子装置还包括干电池给所述可编程LED驱动、光源和处理器供电。
[0013]在另一个实施方式中，所述处理器、可编程LED驱动、光源和光传感器集成在电子盒中。所述柔性光纤感应薄膜通过光纤保护套与所述电子盒连接。所述电子盒通过电源适配器连接到墙上的交流电源供电。
[0014]在另一个实施方式中，所述垫子还包括设置在所述柔性光纤感应薄膜下面的保护层和包住所述柔性光纤感应薄膜和保护层的外层垫子。
[0015]在另一个实施方式中，所述保护层包括多个条状物，所述多个条状物间设置有固定间隙。
[0016]所述上层薄膜、下层薄膜、保护膜、突起物、保护层和外层垫子由柔性材料组成，所述柔性材料包括塑料、橡胶、尼龙，优选的聚乙烯。
[0017]在另一方面，提供一种使用所述垫子测量人体存在的方法，包括检测因光损耗而造成的直流信号突然升高或降落的步骤。
[0018]在另一方面，提供一种使用所述垫子测量呼吸率的方法，包括通过每个脉冲确定光损耗信号的交流分量的步骤，每一个脉冲代表时域中一次呼吸。
[0019]在另一方面，提供一种使用所述垫子测量心率的方法，包括通过确认频域中光损耗信号的交流分量来获取心率的步骤。
[0020]实施本发明，可以实现如下优点:本发明中所述柔性光纤感应薄膜能通过突起物产生光损耗信号以检测人体的存在、活动、呼吸率和心率，且本发明使用保护膜保护所述光纤。本发明中采用垫上电子装置与所述柔性光纤感应垫子相结合作为一个整体的适用于婴儿使用，采用电子盒通过光纤保护套与所述柔性光纤感应垫子相连的适用于成人使用。本发明可以检测人体的存在、活动、呼吸率和心率，并且对人类是安全且舒适的。
【附图说明】
[0021]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0022]图1是压电式传感器的等效电路图。
[0023]图2是柔性光纤感应薄膜和外部光源的原理图。
[0024]图3是柔性光纤感应薄膜嵌入床垫的示意图。
[0025]图4是柔性光纤感应薄膜嵌入枕头的示意图。
[0026]图5是柔性光纤感应薄膜放在枕头下的示意图。
[0027]图6是带有垫上电子装置的柔性光纤感应垫子的示意图。
[0028]图7是图6所述柔性光纤感应垫子卷起的示意图。
[0029]图8是图6所述柔性光纤感应垫子应用的示意图。
[0030]图9是带有电子盒的柔性光纤感应垫子的示意图。
[0031 ]图10是图9所述柔性光纤感应垫子卷起的示意图。
[0032]图11是图9所述柔性光纤感应垫子应用的示意图。
[0033]图12A是本发明中所述保护层的示意图。
[0034]图12B是本发明中所述柔性光纤感应薄膜垫子横断面的示意图。
[0035]图12C是本发明中所述柔性光纤感应薄膜垫子弯曲时的横断面示意图。
[0036]图13是本发明中所述柔性光纤感应薄膜分解图。
[0037]图14是本发明中所述夹层的透视图。
[0038]图15是柔性光纤感应薄膜的横断面，所述横断面显示上层和下层薄膜上的突起物紧靠着光纤。
[0039]图16是光纤在有限制的半径弯曲时发生弯曲损耗示意图。
[0040]图17是本发明中所述柔性光纤感应薄膜的夹层的实际尺寸。
[0041]图18是本发明一个实施例中柔性光纤感应薄膜的横断面图。
[0042]图19是本发明另一个实施例中柔性光纤感应薄膜的横断面图。
[0043]图20是本发明另一个实施例中柔性光纤感应薄膜的横断面图。
[0044]图21显示了在时间域中由光传感器检测的光损耗信号，所述光损耗信号处有突变的直流信号尖峰。
[0045]图22是图21所述光损耗信号的交流分量在时域的放大图。
[0046]图23是图22所述光损耗信号的交流分量在频域的示意图。
[0047]图24是光传感器检测的时域中的光损耗信号，所述光损耗信号在周期性交流分量之后突然下降。
[0048]图25是本发明实施例中垫子的框图。
[0049]图26是本发明实施例中垫子的另一个框图。
【具体实施方式】
[0050]本发明的目的是提供一种柔性光纤感应薄膜113，用于测量人体的呼吸率、心率、活动和存在。如图2所示，柔性光纤感应薄膜113由夹层114和光纤115组成。光纤115安放在夹层114中。一种垫子，包括柔性光纤感应薄膜113、可编程LED驱动110、光源111和光传感器112。可编程LED驱动110的输出端与光源111连接，光源111与光纤115的一端连接，光纤115的另一端与光传感器112连接。控制信号驱动可编程LED驱动110，用于给光源111提供LED电流。光源111在LED电流驱动下产生光并进入光纤115中。光传感器112用于检测光纤115中的光损耗信号。处理光损耗信号可用于检测人体的存在、活动、呼吸率和心率。
[0051 ]柔性光纤感应薄膜113包含如下特点:
[0052]1.柔性光纤感应薄膜113可以依尺寸定制以适合不同的应用。可按照应用的类型改变夹层114的尺寸，相应的在夹层114中置入光纤115。
[0053]2.夹层114可使用对人体舒适且可以嵌入床垫或者枕头的柔软且有弹性的材料组成。
[0054]3.修改夹层114的设计和/或改变光纤115的特性可以调整柔性光纤感应薄膜113的敏感度。
[0055]4.可编程LED驱动110提供LED电流给光源111，用于柔性光纤感应薄膜113加载不同的重量。基于光损耗信号，LED驱动会提供合适的电流给光源以补偿由于加载重量产生的光损耗。大电流将会增加进入光纤115的光强度，加强柔性光纤感应薄膜113承受加载重量的能力。
[0056]利用聚乙烯薄膜做夹层114，如图3所示当柔性光纤感应薄膜113嵌入床垫时，如图4所示嵌入枕头的上部时，如图5所示嵌入到枕头