CN102334984A - 一种可用于人体生理参数测量的智能椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种可用于人体生理参数测量的智能椅，所述的智能椅包括有椅座、连接在椅座上的椅背、用于支撑椅座的支撑杆和连接支撑杆的支撑底座，所述的椅背上有光纤光栅应变传感器，所述椅座上设有一个光纤光栅应变传感器，所有光纤光栅应变传感器通过一根光纤串联连接，由椅座位置处引出的光纤连接有光电模块和数据处理模块。本发明的智能椅要用来监测人体的心率、呼吸频率和体重等生理参数，可对人体的健康状况进行非介入式的实时监测、并能自动地根据所监测到的数据决定是否发出健康预警信号。

Description

一种可用于人体生理参数测量的智能椅

技术领域

本发明涉及到光纤光栅传感领域，具体地说，是涉及到一种基于光纤光栅传感器的用于监测人体健康状况的智能椅。

背景技术

光纤传感技术是在20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的一种新型传感技术。这些光纤传感器根据作用范围又可以分为三类：点式传感器（如光纤微弯传感器、光纤Fabry-Perot传感器、光纤Bragg光栅传感器等），积分传感器（如光纤Michelson干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪），分布式传感器（如利用布里渊散射效应制成的应力、温度分布式传感器）。作为点式传感器的一种，光纤光栅在传感领域的应用已经得到世界范围内的广泛重视，其具有其它传统电传感器无可比拟的优点，主要是：抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围宽、便于复用成网、小型化和维护成本低等。

目前，光纤光栅传感器主要用于建筑物和桥梁的健康监测和安全监控。用于结构监测的传统的应变电监测装置需要采用电缆来传递电源和输出信号，所需的电缆数目较大，且无法将其直埋入建筑结构内部，所以在实现长期实时监测方面具有很大的局限性，而光纤光栅传感器经过封装以后既可以贴在结构的表面，也可以直埋入结构中对结构进行实时监测。此外，其易构成高性能、低成本的传感阵列，在结构监测应用工程中具有巨大市场潜力。

随着经济的快速发展，人们的生活节奏越来越快，生活和工作上的压力使得人们很少有时间去锻炼身体，久而久之，会导致身体素质变差，一些疾病就容易发生。目前市场上，对能够监测人体健康状况（如呼吸频率、心率和体重等生理参数的监测）的家用和办公用医疗保健产品的需求量相当大。然而，将光纤光栅传感器用于医疗保健方面的实践却很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够用于人体生理参数如心跳频率、呼吸频率以及体重的测量监控的智能椅。本发明的智能椅要能够用来监测人体的心率、呼吸频率和体重等生理参数，可对人体的健康状况进行非介入式的实时监测、并能自动地根据所监测到的数据决定是否发出健康预警信号。

为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种可用于人体生理参数测量的智能椅，所述的智能椅包括有椅座、连接在椅座上的椅背、用于支撑椅座的支撑杆和连接支撑杆的支撑底座，其特征在于，所述的椅背上有光纤光栅应变传感器，所述椅座上设有一个光纤光栅应变传感器，所有光纤光栅应变传感器通过一根光纤串联连接，由椅座位置处引出的光纤连接有光电模块和数据处理模块。

在本发明的用于人体生理参数测量的智能椅中，作为一种优化设计方案，所述的椅背上设置两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器对称于椅背的中心线布置，所述椅座的中心位置处设有一个光纤光栅应变传感器，三个光纤光栅应变传感器通过同一根光纤串联连接。

在本发明的用于人体生理参数测量的智能椅中，作为一种进一步的优化设计方案，在所述的椅背上靠近每个光纤光栅应变传感器处均设有光纤光栅温度传感器，在所述的椅座上靠近光纤光栅应变传感器处亦设有光纤光栅温度传感器。

在本发明的用于人体生理参数测量的智能椅中，所述的数据处理模块位于一个监控主机内，该监控主机还连接有一个综合结果显示及报警平台。

在本发明的用于人体生理参数测量的智能椅中，所述的数据处理模块内的数据依次经过有频移量计算单元、小波去噪单元、模式识别单元、光纤光栅应变传感器温度补偿单元、心率和呼吸频率计算单元、体重计算单元、信息存储和比较单元，输出结果至综合结果显示及报警平台。

在本发明的用于人体生理参数测量的智能椅中，所述的频移量计算单元将受温度、应变作用后的光纤光栅传感器的反射光的中心波长与标定的反射光中心波长比较作差，得到反射光中心波长的偏移量；小波去噪单元去除上述处理后数据中的无关信号；模式识别单元区分出心跳、呼吸和体重信号；光纤光栅应变传感器温度补偿单元把温度在光纤光栅应变传感器上产生的反射光中心波长的偏移量去除，只留下应变的作用效应；心率和呼吸频率计算单元计算出心率和呼吸频率；体重计算单元计算出体重；信息存储和比较单元中设置有各个年龄段、不同性别的正常人的心跳频率、呼吸频率和体重的正常范围阈值，计算出的心跳频率、呼吸频率和体重与上述阈值比较后输出比较结果信号，若处于阈值内则输出正常信号至综合结果显示及报警平台，若超出阈值则输出报警信号至综合结果显示及报警平台。

基于上述技术方案，本发明的用于人体生理参数测量的智能椅在应用中具有如下技术优点：

1. 本发明的智能椅可对人体的健康状况进行非介入式的实时监测、并能自动地根据所监测到的数据决定是否发出健康预警信号。

2. 由于工作人士的大部分时间里都是坐在椅子上，在工作的椅子上安装光纤光栅应变传感器用于实时监测人体的健康状况，可以给出一个初步的健康状况评判，为疾病的预防提供有力的保证。

3. 本发明考虑到温度也可使光纤光栅应变传感器产生中心反射波长的漂移，为此在每个光纤光栅应变传感器的边上安置了一个光纤光栅温度传感器，用于补偿温度对光纤光栅应变传感器的影响，提高检测精度。

4.由于光纤光栅传感器本身是电无源的，因而不会对坐在智能椅上的人体产生任何电危害，安全性能十分突出。

5.本发明中光纤光栅应变传感器采用了弧形结构，符合人体的生理曲线，完全不会影响乘坐的舒适性。

附图说明

图1是本发明用于人体生理参数测量的智能椅的***结构示意图。

图2是本发明智能椅的数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的用于人体生理参数测量的智能椅作进一步的详细说明，以求更为清楚明白地理解其工作原理和具体应用，但不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的智能椅与现有技术中的椅子结构类似，在外形结构上都包括有椅座、连接在椅座上的椅背、用于支撑椅座的支撑杆和连接支撑杆的支撑底座。这里的支撑底座放置到地板或者地面上，起到支撑整个椅子的作用；支撑杆连接在椅座和支撑底座之间，将椅背、椅座以及坐在椅座上人体的重量都传递到支撑底座上。人体坐在椅座上时，其背部贴靠在椅背上。椅座可以以支撑杆为轴转动，甚至椅座和椅背之间的角度可以调整，诸如此类的变形。

本发明为了实现能够利用该智能椅测量人体部分生理参数，利用光电技术和传感器技术在椅子内部进行了改进，具体的改进之处在于：在椅背设置了光纤光栅应变传感器，并在椅座上也设有光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器通过一根光纤串联连接起来，上述的光纤从一端引出来，引出的光纤连接有光电模块和数据处理模块。上述的光纤光栅应变传感器可以探测到人体坐靠在智能椅上后产生的应变变形量，并把该变形量和变化情况通过激光信号查知后转换成电信号处理，从而根据运算查知该变形，再结合引起该变形的原因，测算出人体的部分生理参数，这些生理参数除了体重以外，还包括有呼吸频率和心跳频率。

如图1所示，图1是本发明用于人体生理参数测量的智能椅的***结构示意图。智能椅结构上包括有椅座2、连接在椅座2上的椅背1、用于支撑椅座2的支撑杆4和连接支撑杆4的支撑底座3。智能椅的椅背1上设置两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器对称于椅背1的中心线布置，即位于左侧的光纤光栅应变传感器6和位于右侧的光纤光栅应变传感器5。安置在椅背1上的光纤光栅应变传感器5和光纤光栅应变传感器6以椅背1的纵向中线AB为对称轴，分布在横向中线CD上靠近中心点O1的任意位置上。光纤光栅应变传感器5和光纤光栅应变传感器6的作用相同，安装两个这样的应变传感器目的是为了增加灵敏度和检测精度。光纤光栅应变传感器5和光纤光栅应变传感器6用来感应来自人体背部的力的情况，心跳和呼吸都分别会在背部产生一个不同幅值和频率的力，它们都会作用到两个应变传感器上，使它们产生轴向应变，从而使来自光纤光栅应变传感器的反射光的中心波长发生偏移。心跳和呼吸所致的光纤光栅应变传感器的反射光中心波长的频移量是不同的，且此频移量的复现频率也是不同的，因此根据这个规律，应变传感器可以检测到人体的心率和呼吸频率等生理参数。

所述的光纤光栅应变传感器7安置在椅座2上，靠近中心点O2的任意位置，用于检测人体的体重，当人坐在椅子上时，人体的全部重量将会作用在光纤光栅应变传感器7上的弧形结构的最高点上，会使光纤光栅应变传感器7产生一个轴向应变，导致光纤光栅应变传感器7的反射光的中心波长发生偏移，偏移量与人体体重存在线性的关系，偏移量越大则体重越重，反之亦然。

上述设置在智能椅上的三个光纤光栅应变传感器通过同一根光纤串联连接起来。当然光纤可以是分段连接各个光纤光栅应变传感器的，但是串联起来是其要点。  

在本发明的用于人体生理参数测量的智能椅中，由于人体体温的存在，势必会对光纤光栅应变传感器造成影响，进而会影响到测量的精度。为了减小温度对光纤光栅应变传感器带来的不良影响，我们在靠近每个光纤光栅应变传感器的地方设置了一个光纤光栅温度传感器，以测出体温对应变的影响，在计算时考虑上述影响，将温度影响去除。具体的结构设计中，在所述的椅背1上靠近光纤光栅应变传感器5和光纤光栅应变传感器6的位置分别设有光纤光栅温度传感器8和光纤光栅温度传感器9，在所述的椅座2上靠近光纤光栅应变传感器7处设有光纤光栅温度传感器10。

上述智能椅内设置的光纤光栅应变传感器5、6和7均采用弧形结构，符合人体生理曲线，不会影响乘坐的舒适性。弧形结构的材料采用碳纤维增强复合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic )，其具有很好的弹性，能有效增强光纤光栅应变传感器的传感灵敏度。而光纤光栅温度传感器8、9和10，对应力应变不敏感，只对温度敏感。光纤光栅温度传感器8、9和10分别放置在靠近光纤光栅应变传感器5、6和7的任意位置，用于补偿温度对光纤光栅应变传感器5、6和7的影响，提高检测精度。具体温度补偿过程在监控主机12运行时在光纤光栅应变传感器温度补偿单元中实现。

在智能椅的具体结构中，各个光纤光栅传感器通过一根光纤分成的多个光纤段连接，其包括光纤段13、14、15、16、17和18，其中光纤段13、14、15、16和17用于串接所有的光纤光栅传感器，包括光纤光栅应变传感器5、6和7，光纤光栅温度传感器8、9和10。光纤段18从椅座2的中心点O2处引出，连到外部的光电模块11，用于把来自光纤光栅的传感光信号传输给光电模块11。

光电模块11、监控主机12和综合结果显示及报警平台19之间用电缆连接，除此之外所有硬件部件都采用光纤连接。光电模块11内置有宽带光源、光耦合器和解调单元。宽带光源发出的光经光耦合器注入光纤光栅传感器，满足反射条件的光被反射后，再经光耦合器进入解调单元，解调出各光纤光栅传感器的反射光的中心波长。然后再将其转换成电信号，并传输给监控主机12。

监控主机12内置数据采集模块和数据处理模块。数据采集模块用于采集数据和A\D转换。数据处理模块是监控主机12的核心部分，如图2所示，它包括7大模块单元：频移量计算单元、小波去噪单元、模式识别单元、光纤光栅应变传感器温度补偿单元、心率和呼吸频率计算单元、体重计算单元及信息存储和比较单元。

上述数据处理模块先将来自光电模块11的各光纤光栅传感器的反射光的数据送给频移量计算单元，它将受温度、应变作用后的光纤光栅传感器的反射光的中心波长与标定的反射光中心波长作差，得到反射光中心波长的偏移量。然后，再把处理过的数据经由小波去噪单元去除无关信号，比如人在椅子上运动所产生的一些噪声叠加信号。然后，再经由模式识别单元区分出心跳、呼吸和体重信号。然后，再经由光纤光栅应变传感器温度补偿单元把温度在光纤光栅应变传感器上产生的反射光中心波长的偏移量去除，只留下应变的作用效应。然后，再分别经由心率和呼吸频率计算单元和体重计算单元计算出心率、呼吸频率和体重。最后，再经由信息存储和比较单元，其可以根据坐椅者的性别、年龄和身高，自动设定不同的报警门槛条件，当监测到的心率、呼吸频率和体重等生理参数值超过报警门槛时，其就会给出健康状况预警信号及可能引发的疾病类型。

在需要测定的生理参数中，心率是指心脏每分钟跳动的次数，是医生临床诊断中的一项重要诊断依据。正常成年人的心率一般为60~100次/分钟左右。同时心率又可因年龄和性别的不同而不同。因此，心率异常报警门槛条件与年龄、性别等两个变量密切相关，具体报警门槛的设定可参考相关的医学统计数据来确定。胸部的依次起伏就是一次呼吸，即一次吸气一次呼气。每分钟呼吸的次数称为呼吸频率，其也是医生临床诊断中的一项重要诊断依据。正常成人的呼吸频率一般为16~18次/分钟左右。呼吸频率的异常报警门槛条件设定方法与心率的同理。体重跟性别、年龄和身高等三个参数息息相关，体重的报警门槛的设定可参考相关医学体检的健康体重标准。最终需要显示的结果和报警信号都送给综合结果显示及报警平台19。

综合结果显示及报警平台19，配置了显示界面和蜂鸣器。用户可以直接在显示界面上浏览心率、呼吸频率、体重与时间的变化曲线。心率和呼吸频率每一小时测一次，体重每天测一次。用户还可以在显示界面浏览到这三个生理参数在一天，一个月和一年内的变化曲线，以便用户更好地了解在较长时间内的身体健康状况变化的情况。当某一项生理参数指标超过报警门槛值的时候，综合结果显示及报警平台19就会给出健康状况报警信号，可通过蜂鸣器来提醒用户，同时也会在显示界面上给出可能的疾病隐患种类，以便用户能及时去医院就诊。

本发明的产品可以采用这样的方法来制作：

第一、将光纤光栅应变传感器5和6安置在椅背1上，它们以纵向中线AB为对称轴，分布在横向中线CD上靠近中心点O1的任意位置上，光纤光栅应变传感器5和6与椅背1之间采用粘贴连接。

第二、将光纤光栅应变传感器7安置在椅座2上，靠近中心点O2（支撑杆4和椅座2的交点）的任意位置，其与椅座2之间采用粘贴连接。

第三、将光纤光栅温度传感器8、9和10分别放置在靠近光纤光栅应变传感器5、6和7的任意位置，光纤光栅温度传感器8和9粘贴在椅背1上，光纤光栅温度传感器10粘贴在椅座2上。

第四、用光纤将光纤光栅传感器8、5、9、6、7和10串接起来，采用光纤熔接的方法将各个传感器进行串接。

第五、光纤光栅温度传感器10的末端光纤穿过中心点O2引出，再连到光电模块11上。

第六、光电模块11、监控主机12和综合结果显示及报警平台19之间用电缆连接。

第七、将数据处理模块以软件的形式安装在监控主机12中。

第八、最后，启动光电模块11、监控主机12和综合结果显示及报警平台19，即可实现光纤光栅智能椅的正常工作，实时地监测人体的健康状况。

本发明含有光纤光栅传感器的智能椅主要用来监测人体的心率、呼吸频率和体重等生理参数，可对人体的健康状况进行非介入式的实时监测、并能自动地根据所监测到的数据决定是否发出健康预警信号。人在一天的大部分时间里都是坐在椅子上，因而在椅子上安装传感器用于实时监测人体的健康状况，可以给出一个初步的健康状况评判，为疾病的预防提供有力的保证。此外，本发明的智能椅不会影响人乘坐的舒适性，一个主机设备可以同时复接多把智能椅，大大降低了成本，且维护简单。因而，本发明的智能椅很适合公司及政府单位使用，作为单位员工的一种福利，为员工建立实时的个人健康档案。

Claims (6)

1.一种可用于人体生理参数测量的智能椅，所述的智能椅包括有椅座、连接在椅座上的椅背、用于支撑椅座的支撑杆和连接支撑杆的支撑底座，其特征在于，所述的椅背上有光纤光栅应变传感器，所述椅座上设有一个光纤光栅应变传感器，所有光纤光栅应变传感器通过一根光纤串联连接，由椅座位置处引出的光纤连接有光电模块和数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种可用于人体生理参数测量的智能椅，其特征在于，所述的椅背上设置两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器对称于椅背的中心线布置，所述椅座的中心位置处上设有一个光纤光栅应变传感器，三个光纤光栅应变传感器通过同一根光纤串联连接。

3.根据权利要求2所述的一种可用于人体生理参数测量的智能椅，其特征在于，在所述的椅背上靠近每个光纤光栅应变传感器处均设有光纤光栅温度传感器，在所述的椅座上靠近光纤光栅应变传感器处设有光纤光栅温度传感器。

4.根据权利要求3所述的一种可用于人体生理参数测量的智能椅，其特征在于，所述的数据处理模块位于一个监控主机内，该监控主机还连接有一个综合结果显示及报警平台。

5.根据权利要求4所述的一种可用于人体生理参数测量的智能椅，其特征在于，所述的数据处理模块内的数据依次经过有频移量计算单元、小波去噪单元、模式识别单元、光纤光栅应变传感器温度补偿单元、心率和呼吸频率计算单元、体重计算单元及信息存储和比较单元，最终输出结果至综合结果显示及报警平台。

6.根据权利要求5所述的一种可用于人体生理参数测量的智能椅，其特征在于，所述的频移量计算单元将受温度、应变作用后的光纤光栅传感器的反射光的中心波长与标定的反射光中心波长比较作差，得到反射光中心波长的偏移量；小波去噪单元去除上述处理后数据中的无关信号；模式识别单元区分出心跳、呼吸和体重信号；光纤光栅应变传感器温度补偿单元把温度在光纤光栅应变传感器上产生的反射光中心波长的偏移量去除，只留下应变的作用效应；心率和呼吸频率计算单元计算出心率和呼吸频率；体重计算单元计算出体重；信息存储和比较单元中设置有各个年龄段、不同性别的正常人的心跳频率、呼吸频率和体重的正常范围阈值，计算出的心跳频率、呼吸频率和体重与上述阈值比较后输出比较结果信号，若处于阈值内则输出正常信号至综合结果显示及报警平台，若超出阈值则输出报警信号至综合结果显示及报警平台。

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