CN101393058A - 一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，由导电纤维组成，其特征在于，所述导电纤维互相交织而成为机织物，所述机织物的全部经纱之间互相连接，所述机织物的全部纬纱之间互相连接，全部所述经纱与全部所述纬纱之间的整体电阻随该机织物上的压力而变化。本发明的用途技术方案是提供了一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的用途，其特征在于，将所述具有机织结构的柔性电阻式压力传感器应用在睡姿检测服装上。本发明具有可弯曲、可折叠甚至可洗涤的特点，非常适用于穿戴式个人生理信息与状态的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器及其在睡姿检测服装上的应用，属于电阻式压力传感器及其应用技术领域。
背景技术
近年来，具有织物结构的柔性传感器逐渐引起了国内外研究人员的关注。与传统的传感器相比，这类新型的传感器具有可弯曲、可折叠甚至可洗涤的特点，因此非常适用于穿戴式个人生理信息与状态的检测。
织物结构是指织物的针织结构或机织结构。织物结构的柔性传感器是指传感器的敏感元件为一块具有针织结构或机织结构的织物，即针织物或机织物。一般地，如果织物的形状、长度、温度或压力等物理量的变化能够引起织物的电阻、电感或电容等电学量产生相应的变化，那么就可以把这样的织物设计成为对应物理量的传感器。特别地，如果作用在织物上的压力发生变化能够引起织物的电阻产生相应的变化，那么就可以把这样的织物设计成为电阻式压力传感器。
目前，现有技术关于织物结构的柔性压力传感器主要是具有机织结构的电容式压力传感器。例如，意大利人Sergio等(M.Sergio，N.Manaresi，F.Campi，R.Canegallo，M.Tartagni，and R.Guerrieri，A dynamically reconfigurablemonolithic CMOS pressure sensor for smart fabric，IEEE Journal ofSolid-state circuits，38(6)(2003)966-975.)公开了一种由导电纤维机织的电容式压力传感器。当压力作用在这种织物上时，互相交织的纤维之间的电容将增大。日本人Hasegawa等(Y.Hasegawa，M.Shi kida，D.Ogura，K.Sato，Noveltype of fabric tactile sensor made from artificial hollow fiber，Proceedings of the IEEE Twentieth Annual International Conference onMicro Electro Mechanical Systems，Kobe，Japan，Jan.21-25，2007，478-481.)公开了一种由弹性中空纤维机织的电容式压力传感器，其中互相交织的两根中空纤维之间的接触压力大小可通过测量这两根中空纤维之间的电容而得到。
然而，现有技术并未公开一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，也未公开包括这种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器在睡姿检测服装上的应用。例如，美国人Halleck申请的美国专利US6356203B1公开的一种测量身体转动的装置与方法，是采用两个倾斜开关作为检测角度的传感器，来判断身体左右两个方向上的转动。中国人宋维金申请的中国专利200520017443.8公开的一种睡眠姿势监测装置，是以一个带有电极的填充了导电液体的腔体作为传感器，并根据导电液体在腔体内的不同位置来对应不同的睡眠姿势。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器以及其在睡姿检测服装上的应用。
为了达到上述目的，本发明的产品技术方案是提供了一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，由导电纤维组成，其特征在于，所述导电纤维互相交织而成为机织物，所述机织物的全部经纱之间互相连接，所述机织物的全部纬纱之间互相连接，全部所述经纱与全部所述纬纱之间的整体电阻随所述机织物上的压力而变化。可根据Holm电接触理论推导出所述经纱与所述纬纱之间的接触电阻与所述压力的关系，而由于所述机织物的全部经纱之间互相连接，所述机织物的全部纬纱之间互相连接，因此可以推导出全部经纱与全部纬纱之间的整体电阻是所有的经纱与纬纱交织点处接触电阻的函数，因此全部所述经纱与全部所述纬纱之间的整体电阻随所述机织物上的压力而变化。
本发明的用途技术方案是提供了一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的应用，其特征在于，将所述具有机织结构的柔性电阻式压力传感器应用在睡姿检测服装上。
本发明提供的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的传感机理为：每根经纱与纬纱交织点处的接触电阻是接触面积的函数，而接触面积是接触压力的函数；同时，整个机织物的经纱与纬纱之间的整体电阻可看作为由若干单一纱线之间的接触电阻与纱线(纤维)固有电阻组成的电阻网络；当作用于整个机织物上的压力发生变化时，机织物的总电阻将随着压力的变化而变化，其表达式可由理论推导或实验拟合得到。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明是一种具有机织结构的柔性传感器，具有可弯曲、可折叠甚至可洗涤的特点，因此非常适用于穿戴式个人生理信息与状态的检测；设置有这种柔性传感器的睡姿检测服装，能够实时检测睡眠状态下穿着者身体前部、后部、左侧及右侧部位所受到的压力信号并判断其睡眠姿势，特别适用于预防婴儿猝死综合征(SIDS)或降低其发生率，也可用于病人的实时睡姿检测。
附图说明
图1是本发明的并联式柔性电阻式压力传感器结构图；
图2是本发明的串联式柔性电阻式压力传感器结构图；
图3是本发明的并联式柔性电阻式压力传感器等效电路图；
图4是本发明的串联式柔性电阻式压力传感器等效电路图；
图5是本发明提供的柔性电阻式压力传感器在睡姿检测服装上的应用的正面示意图；
图6是本发明提供的柔性电阻式压力传感器在睡姿检测服装上的应用的反面示意图；
图7是本发明的睡姿检测绑带结构示意图；
图8是本发明的睡姿检测报警原理图；
图9是本发明的柔性电阻式压力传感器信号转换电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，但等价形式的改动或修改同样落于本申请所述权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所述为本发明的并联式柔性电阻式压力传感器结构图，由导电纤维组成，该导电纤维互相交织而成为具有平纹组织结构的机织物，所述机织物的全部经纱12之间互相并联，所述机织物的全部纬纱11之间互相并联，从而全部经纱12与全部纬纱11之间的整体电阻是所有单一经纱12与纬纱11之间的接触电阻的函数，且接触电阻随机织物上的压力而变化。
经纱12与纬纱11都选用硬度为107Pa、直径为0.5mm的导电纤维，经纱12与纬纱11的根数都为100(图1和图3中以4根为例)，经纱12的电阻率为0.1Ω·m，纬纱11的电阻率为1000Ω·m。
如图3所示为本发明的并联式柔性电阻式压力传感器等效电路图，其中，电阻R1和电阻RC分别是指纬纱本身电阻和纬纱与经纱交织点处的接触电阻。
如图5及图6所示分别为本发明提供的柔性电阻式压力传感器在睡姿检测服装上的应用的正面及反面示意图，主要包括一件服装基体9和设置在该服装基体9上的4个具有机织结构的柔性电阻式压力传感器1。
其中，这些具有机织结构的柔性电阻式压力传感器1分别设置在对应于服装基体1的前胸、后背、左侧与右侧部位。
如图8所示为本发明的睡姿检测报警原理图，所述柔性电阻式压力传感器1连接相互串联的信号转换电路21、微控制器22、报警电路23以及天线24。
其中，如图1所示，所述柔性电阻式压力传感器1的经纱12与纬纱11上各引出一根导线连接信号转换电路21。
信号转换电路21可以采用如图9所示的电路实现，图9其中Us为一个电压源，Uo为输出电压，R1为可变电阻(即所述的柔性电阻式压力传感器1)，R2为一个固定电阻。
当睡姿检测服装的穿着者处于俯卧位、左侧卧位或右侧卧位睡眠姿势时，对应部位的柔性电阻式压力传感器1的电阻在压力作用下发生变化(即R1发生变化)，信号转换电路21将该电阻信号转换为电压信号，微控制器22将该电压信号转换为睡姿信息，并通过报警电路23和天线24将睡姿信息告知相关者。
实施例2
图2为本发明的串联式柔性电阻式压力传感器结构图。如该图所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述机织物的全部经纱12之间互相并联，所述机织物的全部纬纱11之间互相串联。
经纱12与纬纱11都选用硬度为107Pa、直径为1mm的导电纤维，经纱12与纬纱11的根数都为50(图2和图4中以4根为例)，经纱12的电阻率为0.01Ω·m，纬纱11的电阻率为10Ω·m。
图4为本发明的串联式柔性电阻式压力传感器等效电路图，其中，电阻RI和电阻RC分别是指纬纱本身电阻和纬纱与经纱交织点处的接触电阻。
本实施例的其他部分与实施例1相同。
实施例3
图7为本发明的睡姿检测绑带结构示意图，如该图所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，服装基体9为绑带，其他与实施例1相同。
Claims (10)
1.一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，由导电纤维组成，其特征在于，所述导电纤维互相交织而成为机织物，所述机织物的全部经纱(12)之间互相连接，所述机织物的全部纬纱(11)之间互相连接，全部所述经纱(12)与全部所述纬纱(11)之间的整体电阻随该机织物上的压力而变化。
2.如权利要求1所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述机织物具有平纹组织结构。
3.如权利要求1所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述连接为并联或者串联。
4.如权利要求1所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述经纱(12)为电阻率介于0.01～0.1Ω·m的导电纤维，所述纬纱(11)为电阻率介于10～10000Ω·m的导电纤维。
5.如权利要求1所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述全部经纱(12)或所述全部纬纱(11)为20～200根。
6.如权利要求1所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述经纱(12)和所述纬纱(11)为硬度介于106～108Pa的导电纤维。
7.一种如权利要求1所述的具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的应用，其特征在于，将所述具有机织结构的柔性电阻式压力传感器(1)应用在睡姿检测服装(9)上。
8.如权利要求7所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的应用，其特征在于，分别将柔性电阻式压力传感器(1)设置在所述睡姿检测服装(9)的前胸、后背、左侧与右侧。
9.如权利要求8所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的应用，其特征在于，所述柔性电阻式压力传感器(1)连接相互串联的信号转换电路(21)、微控制器(22)、报警电路(23)以及天线(24)。
10.如权要求7至9中任一项所述的一种具有机织结构的柔性电阻式压力传感器的应用，其特征在于，所述睡姿检测服装(9)为绑带。
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Open date: 20090325 |