本发明专利技术涉及一种织物传感器设计方法及织物呼吸测量装置，它包括以下步骤：1)镀银导电纱线的自感由内电感和外电感构成；2)距镀银导电纱线轴线x处磁场强度及磁感应强度；3)在距镀银导电纱线轴线x处取一宽度为dx、长度为1的面积，得磁通及磁链；4)得镀银导电纱线内部的总磁链；5)得镀银导电纱线单位长度的内电感；6)在镀银导电纱线外任取一点P(x,y)，镀银导电纱线在P(x,y)点的磁感应强度；7)镀银导电纱线外部的总磁链；8)镀银导电纱线每单位长度的外电感；9)镀银导电纱线每单位长度的电感；10)可知镀银导电纱线的电感与镀银导电纱线的位置有关，进而间接获得呼吸信号和呼吸率。本发明专利技术适合日常生活以及运动状态中的呼吸信号和呼吸率监测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种传感器设计方法及呼吸测量装置，特别是关于一种在人体信号测量领域中使用的基于呼吸感应体积描记法的织物传感器设计方法及织物呼吸测量装置。
技术介绍
在人体正常生理活动中，呼吸信号和呼吸率等生理信息是反映心肺功能健康状况的重要指标，呼吸率对心血管、气管和支气管等呼吸类疾病和肥胖症等慢性疾病的诊断与治疗具有十分重要的意义。随着电子学、测量科学和临床医学等学科的发展，呼吸信号测量方法以及信号传感装置的研究近年来也在逐渐增加。呼吸信号测量方法主要有压电呼吸测量法、胸阻抗法和呼吸感应体积描记法等方法。压电呼吸测量法是利用呼吸过程中胸腔的物理体积变化产生的压力作为测量对象，采用应变传感器实现呼吸信号测量。胸阻抗法是基于呼吸过程中胸腔体积扩张、收缩过程中胸腔电阻发生变化的特点，通过对胸腔两点之间导入高频低电流交流信号，以胸腔固定点之间作为待测区域胸腔电阻，通过测量阻抗变化，实现呼吸信号测量。呼吸感应体积描记法是在胸腔部位围绕以正弦波等形式排列的金属线圈，以胸腔围绕的金属线圈作为待测电感，以电感值的变化作为测量对象，间接实现呼吸测量。呼吸感应体积描记法在实际测量中，是由于呼吸过程中胸腔产生物理体积变化，线圈随着呼吸产生节律伸缩，由此导致线圈电感发生周期性变化，对该线圈电感串并联电容，构成谐振电路；电感线圈随着呼吸过程，胸腔变化伸缩变形，谐振电路频率随之发生变化，通过测量谐振频率的变化，实现对呼吸信号的测量。在穿戴式呼吸信号、呼吸频率测量中，压电呼吸测量法中应变传感器的测量精度与胸腔接触压力大小成比例关系，不适合运动中测量；胸阻抗法的测量原理则需要电路中不断通入高频小电流信号作为激励信号源，该方法对患有心脑血管疾病的测量者存在安全隐患，不适合长时间测量；而以金属线圈构造的电感作为测量载体的呼吸感应体积描记法则无法解决穿戴舒适性、测量线圈标准化等问题，所以同样不适合长时间穿戴式呼吸信号、呼吸率测量。以上三种方法因其测量原理和测量方式的固有原因，都不适合运动状态下的呼吸信号和呼吸率测量。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种织物传感器设计方法及织物呼吸测量装置，其适合日常生活以及运动状态中的呼吸信号和呼吸率监测。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种织物传感器设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：1)在镀银导电纱线通入交流电流时，镀银导电纱线的内部及其周围产生交变磁通；2)如果磁路的导磁系数为常数，则与镀银导电纱线的磁链ψ和电流I呈线性关系，镀银导电纱线的自感L为：3)当长度为l的镀银导电纱线通入电流时，镀银导电纱线的外部和内部均产生磁通，镀银导电纱线的自感也由内电感Li和外电感Le构成；4)电流I沿镀银导电纱线的截面均匀分布，根据环路安培定律，以镀银导电纱线轴线为中心，x为半径的圆周作为积分路径，则：式中，为距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度；r为镀银导电纱线的半径；5)得到距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度为：6)镀银导电纱线的导磁系数为μ，则距镀银导电纱线轴线x处的磁感应强度Bx为：7)在距镀银导电纱线轴线x处取一宽度为dx、长度为1的面积，则该磁通dφi为：8)磁通dφi所交链的镀银导电纱线匝数为即相应的磁链dψi为：9)镀银导电纱线内部的总磁链为：式中，对于非铁磁材料纱线的导磁系数μ≈μ0；10)镀银导电纱线单位长度的内电感Li为：11)镀银导电纱线的外电感Le与镀银导电纱线外部磁链有关，从镀银导电纱线外一点来看，镀银导电纱线中的电流集中于纤维线的轴线上，取镀银导电纱线的轴线作为y轴，镀银导电纱线的一个端点作为原点，在镀银导电纱线外任取一点P(x,y)，根据毕奥-萨伐尔定律，在无限大均匀媒质中电流微段Idy1在其附近的P(x,y)点所引起的磁感应强度dB为：式中，d表示此微段到P(x,y)点的距离，即：d2＝x2+(y-y1)2；α表示该距离矢径和微段方向间的夹角，即：12)当周围介质是空气时，μ＝μ0，镀银导电纱线在P(x,y)点的磁感应强度为：13)镀银导电纱线外部的总磁链为：试中，l＞＞r；14)镀银导电纱线每单位长度的外电感为：15)镀银导电纱线每单位长度的电感为：16)镀银导电纱线的电感与镀银导电纱线的位置有关，当改变镀银导电纱线之间的距离时，镀银导电纱线的电感将随之发生改变，因此通过测量镀银导电纱线电感的变化量，进而获得呼吸信号和呼吸率。一种织物呼吸测量装置，其特征在于它包括织物传感器、信号接入线、谐振感应电路、引出线和信号调理电路；所述织物传感器一端与所述信号接入线连接，所述信号接入线另一端与所述谐振感应电路连接，所述织物传感器另一端与所述引出线一端连接，所述引出线另一端分别与所述谐振感应电路和所述信号调理电路连接。优选地，所述织物传感器由弹性衬底、粘连扣和镀银导电纱线构成；所述弹性衬底的两端各设置有两个所述粘连扣，所述镀银导电纱线设置在所述弹性衬底上，所述镀银导电纱线一端与所述信号接入线一端连接，所述镀银导电纱线另一端与所述引出线一端连接。优选地，所述弹性衬底由弹性材料构成，所述弹性衬底为120cm*6cm*2m。优选地，所述镀银导电纱线以三角波形式设置在所述弹性衬底上构成可拉伸的织物电感。优选地，所述镀银导电线纱线构成的三角波周期长度为4cm，所述镀银导电纱线以细度为1200D的尼龙为基底，含银量33％，电阻为4～6欧姆/厘米，屏蔽电磁频率为0.1MHz到30GHz，其屏蔽效果达到50dB以上。优选地，所述谐振感应电路由第一电容、第二电容、第三电容和三极管构成；所述引出线分别与所述第一电容一端、所述三极管的基极和所述信号调理电路连接，所述第一电容的另一端分别与所述第二电容一端和所述第三电容一端连接，所述第二电容的另一端分别与所述信号接入线一端和所述三极管集电极连接，所述第三电容的另一端与所述三极管的发射极连接。优选地，所述谐振感应电路采用谐振感应的方式输出振荡波形。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术采用镀银导电纱线，纱线柔软、弹性好，测量呼吸信号和呼吸率更加方便。2、本专利技术基于呼吸感应体积描记法作为基本测量原理，以镀银导电纱线为呼吸信号测量装置，更适合于运动状态下的呼吸监测，呼吸测量的实用性方面有了很大提升。3、本专利技术采用织物呼吸测量传感器，适合便携式穿戴设备的呼吸测量，可满足对运动过程中呼吸率的准确测量。4、本专利技术采用织物呼吸测量传感器，可以对心脑血管病人、亚健康病人和呼吸类疾病患者进行实时健康监测，也可对运动锻炼佩戴者和高危环境作业的工作人员进行健康监护。附图说明图1是本专利技术中织物呼吸测量装置结构示意图；图2是本专利技术的谐振电路和信号调理的电路示意图；图3是本专利技术的织物呼吸测量装置流程示意图；图4是本专利技术的镀银纱线工作原理示意图；其中，实现表示镀银导电纱线原始位置，虚线表示镀银导线纱线运动后位置；图5是本专利技术的信号调理流程示意图；图6是本专利技术的呼吸信号拾取流程示意图；图7是本专利技术的呼吸率测量原理示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。如图1、图2所示，本专利技术提供一种织物呼吸测量装置，其包括织物传感器、信号接入线4、谐振感应电路5、引出线6和信号调理电路7；织物传感器由弹性衬底1、粘连扣2和镀银导电纱线3本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种织物传感器设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：1)在镀银导电纱线通入交流电流时，镀银导电纱线的内部及其周围产生交变磁通；2)如果磁路的导磁系数为常数，则与镀银导电纱线的磁链ψ和电流I呈线性关系，镀银导电纱线的自感L为：L=ψI;]]>3)当长度为l的镀银导电纱线通入电流时，镀银导电纱线的外部和内部均产生磁通，镀银导电纱线的自感也由内电感Li和外电感Le构成；4)电流I沿镀银导电纱线的截面均匀分布，根据环路安培定律，以镀银导电纱线轴线为中心，x为半径的圆周作为积分路径，则：式中，为距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度；r为镀银导电纱线的半径；5)得到距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度为：Hx→=x2πr2I;]]>6)镀银导电纱线的导磁系数为μ，则距镀银导电纱线轴线x处的磁感应强度Bx为：Bx=μHx→=μxI2πr2;]]>7)在距镀银导电纱线轴线x处取一宽度为dx、长度为1的面积，则该磁通dφi为：dφi=Bxdx=μxI2πr2dx;]]>8)磁通dφi所交链的镀银导电纱线匝数为即相应的磁链dψi为：dψi=πx2πr2dφi=μx3I2πr4dx;]]>9)镀银导电纱线内部的总磁链为：ψi=∫0rμx3I2πr4dx=μI8π=μ0I8π;]]>式中，对于非铁磁材料纱线的导磁系数μ≈μ0；10)镀银导电纱线单位长度的内电感Li为：Li=μ08π;]]>11)镀银导电纱线的外电感Le与镀银导电纱线外部磁链有关，从镀银导电纱线外一点来看，镀银导电纱线中的电流集中于纤维线的轴线上，取镀银导电纱线的轴线作为y轴，镀银导电纱线的一个端点作为原点，在镀银导电纱线外任取一点P(x,y)，根据毕奥‑萨伐尔定律，在无限大均匀媒质中电流微段Idy1在其附近的P(x,y)点所引起的磁感应强度dB为：dB=μIdy1sinα4πd2;]]>式中，d表示此微段到P(x,y)点的距离，即：d2＝x2+(y‑y1)2；α表示该距离矢径和微段方向间的夹角，即：12)当周围介质是空气时，μ＝μ0，镀银导电纱线在P(x,y)点的磁感应强度为：BP=μ0I4πx[l-yx2+(l-y)2+yx2+y2];]]>13)镀银导电纱线外部的总磁链为：ψe=∫r∞dψedx=μ0I2π[l×lnl+r2+l2r-r2+l2+r]≈μ0Il2π(ln2lr-1);]]>式中，l＞＞r；14)镀银导电纱线每单位长度的外电感为：Le=ψeIl=μ02π(ln2lr-1);]]>15)镀银导电纱线每单位长度的电感为：L=Li+Le=μ02π(ln2lr);]]>16)镀银导电纱线的电感与镀银导电纱线的位置有关，当改变镀银导电纱线之间的距离时，镀银导电纱线的电感将随之发生改变，因此通过测量镀银导电纱线电感的变化量，进而获得呼吸信号和呼吸率。...
【技术特征摘要】
1.一种织物传感器设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：1)在镀银导电纱线通入交流电流时，镀银导电纱线的内部及其周围产生交变磁通；2)如果磁路的导磁系数为常数，则与镀银导电纱线的磁链ψ和电流I呈线性关系，镀银导电纱线的自感L为：L=ψI;]]>3)当长度为l的镀银导电纱线通入电流时，镀银导电纱线的外部和内部均产生磁通，镀银导电纱线的自感也由内电感Li和外电感Le构成；4)电流I沿镀银导电纱线的截面均匀分布，根据环路安培定律，以镀银导电纱线轴线为中心，x为半径的圆周作为积分路径，则：式中，为距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度；r为镀银导电纱线的半径；5)得到距镀银导电纱线轴线x处的磁场强度为：Hx→=x2πr2I;]]>6)镀银导电纱线的导磁系数为μ，则距镀银导电纱线轴线x处的磁感应强度Bx为：Bx=μHx→=μxI2πr2;]]>7)在距镀银导电纱线轴线x处取一宽度为dx、长度为1的面积，则该磁通dφi为：dφi=Bxdx=μxI2πr2dx;]]>8)磁通dφi所交链的镀银导电纱线匝数为即相应的磁链dψi为：dψi=πx2πr2dφi=μx3I2πr4dx;]]>9)镀银导电纱线内部的总磁链为：ψi=∫0rμx3I2πr4dx=μI8π=μ0I8π;]]>式中，对于非铁磁材料纱线的导磁系数μ≈μ0；10)镀银导电纱线单位长度的内电感Li为：Li=μ08π;]]>11)镀银导电纱线的外电感Le与镀银导电纱线外部磁链有关，从镀银导电纱线外一点来看，镀银导电纱线中的电流集中于纤维线的轴线上，取镀银导电纱线的轴线作为y轴，镀银导电纱线的一个端点作为原点，在镀银导电纱线外任取一点P(x,y)，根据毕奥-萨伐尔定律，在无限大均匀媒质中电流微段Idy1在其附近的P(x,y)点所引起的磁感应强度dB为：dB=μIdy1sinα4πd2;]]>式中，d表示此微段到P(x,y)点的距离，即：d2＝x2+(y-y1)2；α表示该距离矢径和微段方向间的夹角，即：12)当周围介质是空气时，μ＝μ0，镀银导电纱线在P(x,y)点的磁感应强度为：BP=μ0I4πx[l-yx2+(l-y)2+yx2+y2];]]>13)镀银导电纱线外部的总磁链为：ψe=∫...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晨明，谌玉红，刘光达，蔡靖，郭亚飞，
申请(专利权)人：中央军委后勤保障部军需装备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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