一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种以光通路为核心所设计的柔性可拉伸可穿戴传感器，属于传感器技术领域。该传感器包括一个光源、若干条光通路和一个光线探测器。光通路可根据实际需要采用相应的形状。光源与光线探测器分别位于光通路的两端，并通过光通路连接件采用过盈连接的方式与光通路进行连接，以改善其定心性，提高承载能力。光线探测器由光敏二极管与特制的信号调制电路组成。光通路在初始状态下，经光敏二极管和信号调制电路处理后的电信号为某一值，在光通路上施加压力，使光通路产生形变，得到的电信号也发生变化；计算电信号的变化量；根据电信号的变化量、光强和光通路形变三者之间的线性关系，推算出形变和力的大小。本发明专利技术将光通路与传感器结合，极大的改善了传感器的柔性、可拉伸性和可穿戴性，且维持了传感器的高灵敏度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器


[0001]此设计属于传感器
，能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号，涉及一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器。

技术介绍

[0002]随着传感器研究的不断深入，柔性可拉伸可穿戴传感器因其在医疗领域所具备的巨大潜能而备受关注。传感器因为其出色的传感能力和柔性化能力，在人体健康检测方面发挥着至关重要的作用，如智能呼吸检测带、智能康复手套、心率带、胎动监测带。
[0003]为了能够精确的监测人体内的应变，要求传感器轻薄便携、电学性能优异且集成度高，同时具备良好的变形能力。如今使用较为广泛的材料有导电油墨印刷、 PET、PEN、聚二甲基硅氧烷、柔性衬底导电油墨和碳纳米管等等。
[0004]将外部刺激和变化转化为电信号是柔性可拉伸可穿戴传感器的关键技术之一，其转换机制主要分为压阻、电容和压电三大部分。这种电子元件具有良好的灵敏度，能很好地满足我们的需求，但是传统的电子传感器时漂、温漂较大，长时间测的话可能无法取得真实有效的数据，易受到电场、磁场、振动、辐射、气压、声压、气流等的影响，且无法拉伸、弯曲，与人体亲和性较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术设计了一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器，具有可拉伸、弯曲，高灵敏度、高稳定性与高抗干扰能力所述的基于光通路的柔性可拉伸可穿戴传感器由若干条光通路、一个光线探测器和一个光源组成。光源与光线探测器分别位于光通路的两端，并通过光通路连接件采用过盈连接的方式与光通路进行连接，以改善其定心性，提高承载能力，让光线尽可能的进入到光通路中。
[0006]光源采用LED红外光源，光线探测器包括光敏二极管与信号调制电路。
[0007]信号调制电路的构成：光敏元件、第一放大电路、一阶低通滤波、放大器和二阶低通滤波，各部分之间通过导线连接。光敏元件依次串联第一放大电路、一阶低通滤波、放大器和二阶低通滤波。部分调制电路电路图见附图。
[0008]信号调制电路的工作原理：光敏元件将接收到的光信号转化为电流信号，电流信号经过第一放大电路转化为电压信号，通过调节滑动变阻器对电压信号进行适当消减后输出给一阶低通滤波器；一阶低通滤波滤波后将电压信号输出给放大器，再通过调节放大器的滑动变阻器改变放大器的放大倍数，使输出的电压信号大小在控制端要求的范围内；最后将满足要求的电压信号输出给二阶低通滤波器，二阶低通滤波器对接收到的电压信号进行过滤，得到最终的电压信号值。
[0009]其中第二放大电路对电压信号消减，作用是消除一阶低通滤波输出电压的偏差。
[0010]基于光通路的柔性可拉伸可穿戴传感器，工作原理为：
[0011]根据光学临界全内反射定律，采用折射率不同的两种柔性透光材料来制作传感
器，其整体结构分为光密介质层和光疏介质层。在光密介质层装有一对红外二极管(发光二极管和光敏二极管)连接两端，如图4中的a所示。在未变形状态下，嵌在光密介质层的红外发光二极管发射红外光，并以极少的反射损失穿过光密介质层，未损失的光会被末端光敏二极管感知。相比之下，拉伸(如图4中的 b)、受压(如图4中的c)和弯曲(如图4中的d)等情况，都会由于全内反射而导致光强损失。肌肉运动可能导致传感器产生多方向变形(如拉伸、受压和弯曲)，所有方向变形都会使光敏二极管测量到的信号发生改变，从而给肌肉激活度定量测量增加了难度。为解决该问题，我们在光学传感器的表面附着一层碳纤维层用以限制拉伸和受压，而仅允许弯曲
[0012]光通路可根据实际需要采用相应的形状。为了使形变的数据更加完整精确，应当增加接触面积，例如设计编制结构等等。
[0013]光通路材料并不唯一，内核可以采用导光的透明材料，包括但不限于ClearFlex 30，包层使用折射率比内核小的材料做包层，包括但不限于PDMS。在光通路外侧加入碳纤维层以限制其拉伸和受压并使光通路能够弯曲。
[0014]附图中图4提供了一种应用：设计一种类似护膝的装置，进行股内侧肌状态监测。在人体腿部膝关节弯曲的过程中，这种柔性可拉伸可穿戴传感器记录关节角度，及时发现人体骨骼或肌肉的异常变化，从而进行治疗或者利用所得到的数据针对性的设计康复矫正设备。
[0015]这种设备可以广泛应用于人体的各个部分，例如人类表情识别，将微型柔性传感器安装于人的脸部，感知脸部肌肉的变化，也可以在人体皮肤表面监测人体皮肤的形变参数，从而帮助制造人造皮肤；这种传感器或许还可以应用在动物身体上，协助分析动物运动规律，为动物仿生学做出贡献。
[0016]此外，传感器的形式也并不局限于上述形式，这种形式方便于腿部肌肉运动的监测，对于人体其他部位，可以根据人体外表状态编制出一种更贴合皮肤的光通路，对光信号的接收也可以有更多的形式，也可以分析对比其光强、光质，光的方向和光照周期来得到肌肉的形变。
[0017]电子皮肤是一种可以让机器人产生触觉的系统，它可以根据需要被加工成各种形状，其对材料的厚度、灵敏性和可拉伸性有着很高的要求。它可以应用于机器人上为我们所使用，也可以代替人类的皮肤治疗那些皮肤收到创伤的人。本文所描述的柔性可拉伸可穿戴传感器满足电子皮肤的性能要求，可以在相关领域方面做出贡献。
[0018]本专利技术的优点及其有益效果在于：
[0019]本专利技术将光通路与传感器结合，极大的改善了传感器的柔性、可拉伸性和可穿戴性。通过特定的信号调制电路使作用在传感器上的形变更加直观，维持了传感器的高灵敏度。
附图说明：
[0020]图1为本专利技术中基于光通路的柔性可拉伸可穿戴传感器的基本结构示意图；
[0021]图2为光通路的制作过程示意图；
[0022]图3为柔性可拉伸可穿戴传感器模型；
[0023]图4为本专利技术的原理图和将其用于监测腿部肌肉形变的穿戴示意图；
[0024]图5为本专利技术中信号调制电路的部分电路图。
具体实施方式：
[0025]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的具体实施方式做进一步详细描述。本专利技术利用了光通路的良好特性，结合软物质等的监测需求，设计了一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器。该专利技术可以根据实际需要编织成任何形状并牢牢附着在物体表面，监测软物质例如人体皮肤、肌肉的形变。
[0026]一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器，其由红外灯、光通路和光线探测器组成，基本形式如附图1所示。光源与光线探测器分别位于光通路的两端，光通路根据实际需要制成一定形状。附图4所示的股内侧肌状态监测装置将光通路编织成如图所示结构，提高了其与人体的接触面积，从而使得到的监测结果更加具体、准确。
[0027]光源采用led光源。LED耗电量很少，其单管功率0.03
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0.06瓦，耗电量是白炽灯泡的万分之一。使用寿命长，平均寿命达十万小时，用于传感器可以避免经常换光源。LED耐震、耐冲击不易破碎，用于传感器不易损坏，比较安全。废弃物可回收，节约能源并且不会破坏环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以光通路为核心所设计的柔性可拉伸可穿戴传感器，其特征在于，该传感器包括一个光源、若干条光通路和一个光线探测器。光通路可根据实际需要采用相应的形状。光源与光线探测器分别位于光通路的两端，并通过光通路连接件采用过盈连接的方式与光通路进行连接，以改善其定心性，提高承载能力。光源采用LED红外光源，光线探测器包括光敏二极管与特制的信号调制电路；信号调理电路的构成：光敏元件、第一放大电路、一阶低通滤波、放大器和二阶低通滤波，各部分之间通过导线连接。光敏元件依次串联第一放大电路、一阶低通滤波、放大器和二阶低通滤波。2.根据权利要求1所述的一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器，其特征在于，所述的光通路可根据实际需要采用相应的形状。3.根据权利要求1所述的一种基于柔性光导材料的可拉伸可穿戴传感器，其特征在于，所述的信号调制电路的工作原理：光敏元...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯仰刚，张家驹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：