基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫

摘要

本发明涉及一种基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫，包括：封装层、柔性压力传感器、信号采集电路、上位机，其中，柔性压力传感器与信号采集电路连接，用于进行压力检测并将检测到的压力信号传输到信号采集电路；信号采集电路与上位机连接，用于将采集的压力信号传输到上位机进行显示和分析；柔性压力传感器、信号采集电路包容在封装层内；可通过该检测垫为被护理者提供人体体位状态监测、自动体位变化监测，并能为残疾者或失能老人选择适合的坐垫、床垫，以达到在整个压力范围内受力均匀，减少局部由于受压过大造成的肌肉或者骨质发生生理性变形，实现在康复辅具领域的性能测试验证和用户体验测试，为残障人士提供康复医疗指导。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗康复技术领域，尤其涉及一种基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫。

背景技术

在压力传感领域，压力传感器是将外界的压力信号转换成其他便于检测的物理信号(如电阻、电压、电容等)，以测试绝对压力值或压力变化的部件，压力传感器在触觉感知、指纹识别、医疗监护、人机界面、物联网等领域有着广泛的应用。传统压力传感器以金属、半导体、压电晶体等为主,这些材料大多属于刚性材料，采用这些材料制备压力传感器的技术已经十分成熟，能够精确测量较大范围内的压力值，但是随着科技的发展和人类需求的提高以及生物医疗技术的发展，在人机工程和康复医疗方面的应用上，传统压力传感器其缺点也越来越明显，例如器件体积较大、不能承受弯曲变形，不舒适、不能用于人体生理上的压力监测等，这些缺点阻碍了它们在柔性人机交互、便携式检测、智能人体生理特征检测等场景下的应用。

目前国内市场已经研发出一些柔性压力传感器用于压力检测，市面现有柔性压力垫的基体基本为两种，一种是塑料薄膜，例如聚氯乙烯(PVC)或者聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，材质较硬；导线为金属导线，其柔性表现在可进行有限度的弯曲，但是不能折叠和拉伸变形，不能实现和人体受压表面的完全贴合，并且对使用条件要求较高，在基底较硬的材质上才可以获得比较好的稳定的力学特性，才能保证压力检测的稳定性和精度；如果基底比较软的话，弯曲后的状态是一种混沌状态，压力特性不稳定。另外一种为布制纤维基底，其有柔性，但是不能满足一定量的拉伸变形。因此现有柔性压力传感器在医疗康复领域的实际应用非常有限，不能很好地检测下肢残疾或肢体障碍人群的坐位姿态臀部压力分布。

发明内容

为此，本发明提供一种基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫，用以克服现有技术中柔性压力传感器不能很好在医疗康复领域进行压力检测的问题。

本发明采用可拉伸柔性压力应变传感器的原理，针对下肢残疾或肢体障碍人群的坐位姿态臀部压力分布进行检测，以提供坐位姿势纠正、定制坐垫或作为选择坐垫的依据。柔性压力传感器采用柔性复合导电材料，在柔性的PU或者聚氨酯等柔性可折叠、弯曲，并且可进行一定范围内拉伸形变的材料上印制，形成可以检测压力大小的电容式传感器，并通过采集卡电路模块进行电信号的采集，并进行模数转换，在上位机界面上通过图形颜色的不同显示出人的身体姿势和位置与对应的压力分布示意图，能够提供实时的、高质量的、低噪声的触觉/压力信号。

为实现上述目的，本发明提供一种基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫，包括：封装层、柔性压力传感器、信号采集电路、上位机，其中，柔性压力传感器与信号采集电路连接，用于进行压力检测并将检测到的压力信号传输到信号采集电路；信号采集电路与上位机连接，用于将采集的压力信号传输到上位机进行显示和分析；柔性压力传感器、信号采集电路包容在封装层内。

进一步地，封装层由柔性可拉伸、可折叠、防水橡胶材质制成；

进一步地，所述柔性压力传感器包括柔性电极层、柔性介电层、柔性印刷线路层，柔性介电层位于柔性电极层、柔性印刷线路层之间，柔性电极层由电极印刷于弹性基材构成，柔性印刷线路层由柔性布线印刷于弹性基材构成；

进一步地，弹性基材为柔性的PU或者聚氨酯；

进一步地，柔性压力传感器为16X16分布的电容式压力传感器；

进一步地，信号采集电路包括PCB板采集卡；

进一步地，上位机软件界面上以不同区域的颜色不同和具体压力数值量显示出人体受压部位的不同压力；其中，上位机可为计算机；

进一步地，信号采集电路与上位机通过通信接口连接；

进一步地，柔性压力传感器通入25K信号；

进一步地，还包括信号放大器，对采集的柔性压力传感器信号进行放大。

本发明的基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫，包括上下两面横16条(X)、纵16条(Y)垂直交叉的电极，在整个平面上就形成16x16(256)个交叉检测点，通过按压施加不同的压力使上下两平面(X和Y)之间的距离发生改变，X、Y之间的电容量就相应地发生变化，通过在Y端叠加25K信号，由于XY之间电容的变化导致在X上耦合到的25K信号强度也随着电容量的变化而变化，计算出X上25K信号强度就代表了按压力的大小。

本发明通过给输入端输入固定频率、固定幅值的25K信号，压力传感器电容和后端匹配电阻网络组成滤波网络，由于传感器电容量的变化，导致滤波网络谐振频点偏移，在其它参数均未改变的情况下，25K定频、定幅信号经过接收端电阻匹配网络后的衰减量发生变化，输出信号幅度相应变化。其中f0为初始静止态转折频点，f1为按压之后电容量发生变化后的转折频点，当频点由f0变化到f1时，在25K频点上的衰减量由V0点变化到V1点。由于转折频点的下移，信号通过滤波网络后的衰减量减小。

本发明的测量计算过程分为三步：采集数据、计算结果、结果回传。

其中，采集数据是通过控制矩阵开关通断来控制信号输出通道，启动信号输出之后，开始控制ADC进行数据采集；采样率100KHz，点数100点。输出通道切换和启动数据采集通过调用App.c中fnGetDataCHx(u8 u8CHx)来完成，系统状态结构体中stSystem.u8DMAFlag保存数据采集状态。

一列Y通道信号输出所对应的X1～X16的数据采集完成后，进入计算状态，fnCalc()负责对采集到的数据进行计算，将采集到的16组数据分别做FFT计算，算出25K频点上的信号强度。FFT计算使用ST提供的DSP库中64点计算函数，从100点数据中取中间64点数据以避免通道切换瞬间带入的干扰。为了减少计算量，在算完FFT后只需要计算出25K频点的信号强度，其余频点不需要计算。结合硬件部分的测量原理，每个X数据计算出的信号强度就代表了此X通道和数据对应的Y通道交叉检测点的按压力大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的基本原理为人体以坐位或躺位压在坐垫上时，压力传感器受到压力后产生形变，变形使得压力传感器的电压及电容信号发生变化，经过正交分布的压力传感器进行检测后，经过计算转换后得出每个位置点的压力值的大小，通过上位机软件界面上不同区域的颜色不同和数值量显示出人体受压部位的不同压力，可以进行二维和三维图形显示，并可导出EXCEL及TXT文档。

本发明的基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫，可通过该检测垫的压力检测为被护理者提供人体体重监测、人体体位状态监测、自动体位变化监测，并能为残疾者或失能老人选择适合的坐垫、床垫或者定制与每个人体位相适应的身体支撑物，以达到在整个压力范围内受力的均匀，为康复护理提供理论依据，减少局部由于受压过大造成的肌肉或者骨质发生生理性变形，实现在康复辅具领域的性能测试验证和用户体验测试，为残障人士提供康复医疗指导。

本发明使用的基材、电极、印刷线路材料具有柔性、可拉伸性、可折叠性等优点，这在以前的传感材料中是没有的。该材料以薄、柔韧和弹性形式使其能够通过它在座椅上或床上展开来感知人的生理特征。柔性压力应变传感器，测量范围宽，压力特性较稳定。

本发明中压力传感器采用正交分布的形态能够满足所有覆盖区域内无盲点的压力检测，以适应人体在软性坐垫上的全部臀部覆盖区域坐位姿态及压力大小的分布检测。

附图说明

图1为本发明中柔性压力传感器结构示意图；

图2为本发明中柔性压力传感器部分与信号采集电路示意图；

图3为本发明中柔性分布式压力检测垫的信号采集电路示意图；

图4为本发明中柔性压力传感器分布形式结构示意图；

图5为本发明中上位机界面中显示的压力分布示意图；

图6为本发明的等效测量原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的基于新型柔性压力传感器的柔性分布式压力检测垫，包括：封装层(图中未示出)、柔性压力传感器、信号采集电路、上位机，其中，柔性压力传感器与信号采集电路连接，用于进行压力检测并将检测到的压力信号传输到信号采集电路；信号采集电路与上位机连接，用于将采集的压力信号传输到上位机进行显示和分析；柔性压力传感器、信号采集电路包容在封装层内。

其中，上位机可为计算机；

具体地，封装层由柔性可拉伸、可折叠、防水橡胶材质制成；

请参阅图1所示，其为本发明中柔性压力传感器结构示意图。

所述柔性压力传感器包括柔性电极层1、柔性介电层2、柔性印刷线路层3，柔性介电层2位于柔性电极层1、柔性印刷线路层3之间，柔性电极层1由电极印刷于弹性基材构成，柔性印刷线路层3由柔性布线印刷于弹性基材构成。

具体地，弹性基材为柔性的PU或者聚氨酯；

柔性压力传感器采用柔性复合导电材料，在柔性的PU或者聚氨酯等柔性可折叠、弯曲，并且可进行一定范围内拉伸形变的材料上印制，形成可以检测压力大小的电容式传感器；使用的基材、电极、印刷线路材料具有柔性、可拉伸性、可折叠性等优点，这在以前的传感材料中是没有的。该材料以薄、柔韧和弹性形式使其能够通过它在座椅上或床上展开来感知人的生理特征；柔性压力传感器测量范围宽，压力特性稳定。

如图2所示，信号采集电路包括PCB板采集卡4，通过PCB板采集卡4与柔性压力传感器连接进行压力信号采集；

如图3所示，其为本发明中柔性分布式压力检测垫的信号采集电路示意图，信号采集电路与上位机(图中未示出)通过USB接口连接；柔性压力传感器通入25K信号；还包括信号放大器，对采集的柔性压力传感器信号进行放大。

通过25K信号发生器给输入端输入固定频率、固定幅值的25K信号，压力传感器电容和后端匹配电阻网络组成滤波网络，由于传感器电容量的变化，导致滤波网络谐振频点偏移，在其它参数均未改变的情况下，25K定频、定幅信号经过接收端电阻匹配网络后的衰减量发生变化，输出信号幅度相应变化。具体请参见图6，其为本发明的等效测量原理图，其中显示了滤波网络频点和衰减关系。其中f0为初始静止态转折频点，f1为按压之后电容量发生变化后的转折频点，当频点由f0变化到f1时，在25K频点上的衰减量由V0点变化到V1点。由于转折频点的下移，信号通过滤波网络后的衰减量减小。

如图2、4、5所示，本发明中的柔性压力传感器为16X16分布的电容式压力传感器，包括上下两面横16条(X)、纵16条(Y)垂直交叉的电极，在整个平面上就形成16x16(256)个交叉检测点，通过按压施加不同的压力使上下两平面(X和Y)之间的距离发生改变，X、Y之间的电容量就相应地发生变化，通过在Y端叠加25K信号，由于XY之间电容的变化导致在X上耦合到的25K信号强度也随着电容量的变化而变化，计算出X上25K信号强度就代表了按压力的大小。

图5为本发明中上位机界面中显示的压力分布示意图，在上位机界面上通过图形颜色的不同和具体的压力数值显示出人的身体姿势和位置与对应的压力分布示意图，能够提供实时的、高质量的、低噪声的触觉/压力信号。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。