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专利号: 2020102727590
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于人体运动能量采集的心率测量装置,其特征在于,所述心率测量装置包括有能量管理电路模块(5)、恒流源芯片(6)、传感器阵列贴片(7)、信号处理及显示模块(8)和四个能量收集模块,所述四个能量收集模块将人体运动产生的机械能转化为电能,并将所述电能发送至能量管理电路模块(5)中进行存储,所述恒流源芯片(6)电性连接能量管理电路模块(5),并向所述传感器阵列贴片(7)传输毫安级电流,所述传感器阵列贴片(7)设置在人体胸口位置处,并电性连接所述信号处理及显示模块(8),同时所述传感器阵列贴片(7)向信号处理及显示模块(8)发送传感器信号,所述信号处理及显示模块(8)根据接收到的传感器信号,获取用户的心率信号,并通过所述信号处理及显示模块(8)中的显示屏向用户显示所述心率信号;

所述能量管理电路模块(5)包括有阻抗匹配模块、整流模块和能量储存模块,所述阻抗匹配模块包括有第一耦合电感和次级电容C1,所述四个能量收集模块均电性连接第一耦合电感的初级电感L1,所述第一耦合电感的次级电感L2并联次级电容C1,所述次级电容C1电性连接整流模块,所述整流模块将四个能量收集模块发送的交流脉冲转化为直流电,同时将所述直流电发送至能量储存模块中进行存储;

所述整流模块包括有桥式整流电路(21),所述桥式整流电路(21)将四个能量收集模块发送的交流脉冲转化为直流电,同时所述次级电容C1通过桥式整流电路(21)电性连接能量储存模块;

所述能量储存模块包括有第一开关K1、第二开关K2、第二电容C2、第三电容C3和第二耦合电感,所述桥式整流电路(21)的阴极电性连接第一开关K1的输入端和第二电容C2的输入端,所述第一开关K1的输出端电性连接第二耦合电感的第三耦合线圈L3的输入端,所述第二电容C2的输出端和第二耦合电感的第三耦合线圈L3的输出端均电性连接桥式整流电路(21)的阳极,所述第二耦合电感的第四耦合线圈L4的输入端电性连接第二开关K2的输入端,所述第二开关K2的输出端电性连接第三电容C3的输入端,所述第三电容C3的输出端电性连接第二耦合电感的第四耦合线圈L4的输出端和恒流源芯片(6)的输入端;

所述传感器阵列贴片(7)包括有第一传感单元(22a)、第二传感单元(22b)、第三传感单元(22c)和第四传感单元(22d),所述第一传感单元(22a)的输入端电性连接恒流源芯片(6)的输出端、输出端电性连接所述第二传感单元(22b)的输入端,所述第三传感单元(22c)的输入端电性连接第二传感单元(22b)的输出端、输出端电性连接所述第四传感单元(22d)的输入端,所述第四传感单元(22d)的输出端电性连接信号处理及显示模块(8)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于人体运动能量采集的心率测量装置,其特征在于,所述第一传感单元(22a)、第二传感单元(22b)、第三传感单元(22c)和第四传感单元(22d)的结构均相同,所述第一传感单元(22a)包括有柔性衬底材料PET薄膜(23)和异质结构,所述异质结构包括有二类碳化硼薄膜(24)和一类碳化硼薄膜(25),所述一类碳化硼薄膜(25)设置在二类碳化硼薄膜(24)的下方,同时所述异质结构设置在柔性衬底材料PET薄膜(23)的内部上端,且所述二类碳化硼薄膜(24)的上端和柔性衬底材料PET薄膜(23)的内部顶端无接触。

3.根据权利要求2所述的一种基于人体运动能量采集的心率测量装置,其特征在于,所述信号处理及显示模块(8)包括有滤波器、放大器、主控芯片和显示屏,所述滤波器对传感器阵列贴片(7)发送的传感器信号进行滤波,并将所述滤波后的传感器信号发送至放大器中进行放大,所述放大、滤波后的传感器信号发送至主控芯片内的A/D转换模块中进行A/D转换,获得用户的心率信号,同时所述主控芯片通过显示屏向用户显示心率信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于人体运动能量采集的心率测量装置,其特征在于,所述四个能量收集模块包括有两个单电极式发电机和两个水平滑动式发电机,所述两个单电极式发电机的结构和连接方式均相同,所述两个水平滑动式发电机的结构和连接方式均相同;

所述两个单电极式发电机分别设置在人体的左鞋底和人体的右鞋底,所述单电极式发电机为锯齿形结构,同时所述锯齿形结构的每一层材料从上到下依次是铝箔(10)、聚四氟乙烯和铜箔(12);

所述两个水平滑动式发电机分别设置在人体的左腘窝和人体的右腘窝,所述水平滑动式发电机的构成材料从上往下依次是上层铝箔(15)、尼龙(16)、聚四氟乙烯和下层铝箔(18)。

5.一种如权利要求4所述的基于人体运动能量采集的心率测量装置的测量方法,其特征在于,所述测量方法具体包括如下步骤:

S1:在用户运动的过程中,所述四个能量收集模块产生脉冲交流电,将人体运动产生的机械能转化为电能;

S2:所述脉冲交流电经过第一耦合电感匹配后,通过所述桥式整流电路(21)转化为直流电,为所述第二电容C2进行充电;

S3:当所述第二电容C2的电压值达到预设值时,所述第一开关K1闭合,同时所述第二电容C2上的能量向第二耦合电感的第三耦合线圈L3转移,当所述第二电容C2上的能量完全转移后,所述第二开关K2闭合,所述第一开关K1打开,所述第三耦合线圈L3上的能量向第二耦合电感的第四耦合线圈L4转移,同时所述第四耦合线圈L4上的能量向第三电容C3转移,当所述第四耦合线圈L4上的能量完全转移后,所述第二开关K2打开,并重复步骤S2和步骤S3;

S4:所述第三电容C3接收第四耦合线圈L4上的能量,为所述心率测量装置进行供电,并通过所述恒流源芯片(6)向传感器阵列贴片(7)传输稳定的毫安级电流;

S5:所述传感器阵列贴片(7)发出的传感器信号经过滤波器进行滤波、放大器进行放大、A/D转换模块进行A/D转换后,所述主控芯片从中提取用户的心率信号,同时所述主控芯片通过显示屏向用户显示心率信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于人体运动能量采集的心率测量装置的测量方法,其特征在于,在所述步骤S1中,所述四个能量收集模块产生脉冲交流电,具体为:

在所述两个单电极式发电机中,当铝箔(10)和聚四氟乙烯接触时,铝箔(10)带正电荷、聚四氟乙烯带负电荷,当铝箔(10)和聚四氟乙烯分离时,所述聚四氟乙烯中仍带有负电荷,同时所述铜箔(12)带正电荷,导致电子流向地级(13),当铝箔(10)和聚四氟乙烯再次接触时,所述电子从地级(13)返回至铜箔(12)中,同时在外力的反复作用下,所述两个单电极式发电机产生脉冲交流电;

在所述两个水平滑动式发电机中,当所述尼龙(16)和聚四氟乙烯摩擦接触时,所述尼龙(16)带正电荷,所述聚四氟乙烯带负电荷,在外力的作用下,所述尼龙(16)和聚四氟乙烯发生相对移动并产生电势差,同时电子从下层铝箔(18)流向上层铝箔(15)内,当所述尼龙(16)和聚四氟乙烯再次接触时,电势差逐渐减小,所述电子从上层铝箔(15)流向下层铝箔(18)内,同时在外力的反复作用下,所述两个水平滑动式发电机产生脉冲交流电。