一种智能穿戴传感器及其检测方法

1.本发明涉及智能穿戴设备技术领域，尤其涉及一种智能穿戴传感器及其检测方法。


背景技术：

2.随着国内外科学技术的发展，智能可穿戴设备开始在医疗和日常生活等领域展示极为重要的研究价值和潜力。针织产品具有弹性好、延伸性大、生产效率高等一系列区别于机织物的优良特性，已受到越来越多消费者的青睐。而且，随着大批弹性织物的出现，使得各类紧身服装也随之兴起，使人们在满足穿着适体的同时，也满足了穿着舒适性的需求。
3.其中，服装的舒适性对于穿戴者来说至关重要，为了知晓各类紧身服装是否满足舒适性的需求，市面上通用的方法是通过压力传感器来采集人体对服装的压力信号，根据压力信号判断是否满足舒适性的需求。
4.现有的服装检测用压力传感器的结构简单，频带宽，重量轻，然而，输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路来克服这一缺点。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种智能穿戴传感器及其检测方法，用以解决现有的服装检测用压力传感器输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路来克服这一缺点的问题。
6.本发明提供一种智能穿戴传感器，包括外壳和测量组件，所述外壳内具有一安装空腔；所述测量组件包括十字板以及光纤光栅测量件，所述十字板内置于所述安装空腔中，所述十字板的中心处与所述外壳的内壁抵接，所述光纤光栅测量件包括四个测量端，四个所述测量端分别设置于所述十字板的四个延伸部上，用以检测所述十字板受到的压力。
7.进一步的，所述外壳包括底座和盖子，所述底座与所述盖子可拆卸连接，所述底座与所述盖子之间形成所述安装空腔，所述底座的内壁处固定连接有一支撑柱，所述支撑柱的端面与所述外壳的内壁之间形成一限位间隙，所述十字板的中心处位于所述限位间隙中。
8.进一步的，相对的两个所述测量端分别贴于对应的延伸部的上方和下方设置。
9.进一步的，所述底座靠近所述盖子的端面上开设有四个卡槽，所述十字板的四个延伸部均卡嵌于对应的所述卡槽中。
10.进一步的，所述底座和所述盖子的侧壁处均开设有定位孔，所述底座上的定位孔正对着所述盖子上的定位孔设置。
11.进一步的，所述外壳的外壁上设置开设有与所述安装空腔相连通的出口槽。
12.进一步的，所述十字板的中心处固定连接有一触点，所述十字板经由所述触点与所述外壳的内壁抵接。
13.进一步的，所述光纤光栅测量件包括四个光纤光栅片、解调器以及示波器，四个所述光纤光栅片分别设置于所述十字板的四个延伸部上，四个所述光纤光栅片经由所述解调
器与所述示波器电连接。
14.进一步的，所述十字板的中心处安装有一温度补偿光栅。
15.本发明还提供一种智能穿戴传感器的检测方法，包括如上所述的智能穿戴传感器，还包括以下步骤：
16.获取十字板以及光纤光栅测量件的尺寸、位置信息，并获取光纤光栅测量件的四个测量端的测量数据，基于所述测量数据得到反馈波长；
17.基于所述尺寸、位置信息以及所述反馈波长，可计算得到施加于传感器的外力大小。
18.一种智能穿戴传感器与现有技术相比，整个传感器可附着于衣物上，当触摸外壳的表面的时候，与外壳内壁抵接的十字板的中心处产生形变，通过设置光纤光栅测量件包括四个测量端，四个测量端分别设置于十字板的四个延伸部上，用以检测十字板的四个延伸部所受到的压力，具体的，光纤光栅测量件的四个测量端接收到压力信号，其中，光纤光栅测量组件可外接解调器、示波器等器件，来实现对压力信号进行分析和检测，可以理解的是，在应用于服装压力检测等微弱力时，光纤光栅的输出的直流响应好，检测精度高；
19.一种智能穿戴传感器的检测方法与现有技术相比，先获取十字板以及光纤光栅测量件的尺寸、位置信息，知晓十字板和光纤光栅测量件的尺寸大小以及之间安装的相对位置，当十字板的中心位置处受力时，十字板产生形变，可通过光纤光栅测量件的四个测量端得到测量数据，并通过解调器、示波器等器件可直接得到反馈波长，反馈波长的大小即可反应出十字板的形变程度，根据上述获取的十字板以及光纤光栅测量件的尺寸、位置信息以及反馈波长，即可计算得到施加于传感器上微弱的外力大小。
附图说明
20.图1为本发明提供的智能穿戴传感器一实施例中整体的外部结构示意图；
21.图2为本发明提供的智能穿戴传感器一实施例中整体的内部结构示意图；
22.图3为本发明提供的智能穿戴传感器一实施例中测量组件的结构示意图；
23.图4为本发明提供的智能穿戴传感器的检测方法中工作原理图；
24.图5为本发明提供的智能穿戴传感器的检测方法中十字板的尺寸信息；
25.图6为本发明提供的智能穿戴传感器的检测方法中光纤光栅片设置于十字板上的位置信息。
具体实施方式
26.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
27.如图1-2所示，本发明实施例中提供的一种智能穿戴传感器，包括外壳100和测量组件200，外壳100内具有一安装空腔；测量组件200包括十字板210以及光纤光栅测量件220，十字板210内置于安装空腔中，十字板210的中心处与外壳100的内壁抵接，光纤光栅测量件220包括四个测量端，四个测量端分别设置于十字板210的四个延伸部上，用以检测十字板210受到的压力。
28.其中，整个传感器可附着于衣物上，当触摸外壳100的表面的时候，与外壳100内壁
抵接的十字板210的中心处产生形变，通过设置光纤光栅测量件220包括四个测量端，四个测量端分别设置于十字板210的四个延伸部上，用以检测十字板210的四个延伸部所受到的压力，具体的，光纤光栅测量件220的四个测量端接收到压力信号，其中，光纤光栅测量组件200可外接解调器、示波器等器件，来实现对压力信号进行分析和检测，可以理解的是，在应用于服装压力检测等微弱力时，光纤光栅的输出的直流响应好，检测精度高。
29.本实施方案中的外壳100是用于承载测量组件200的结构，并且可附着于衣物上，在穿戴衣物时，外壳100位于人体与衣物之间，受到外力，根据测量组件200可测量得到外力的大小，即可知判断服装的舒适性。
30.在一个优选的实施例中，外壳100包括底座110和盖子120，底座110与盖子120可拆卸连接，底座110与盖子120之间形成安装空腔，底座110的内壁处固定连接有一支撑柱130，支撑柱130的端面与外壳100的内壁之间形成一限位间隙，十字板210的中心处位于限位间隙中。
31.在一个优选的实施例中，底座110和盖子120均呈杯状，盖子120套设于底座110上。当然，在其它优选的实施例中，底座110和盖子120的形状也可以采用筒状等结构，本发明实施例对此不做限定。
32.为了使十字板210与底座110之间的连接更加稳定，避免十字板210晃动，影响测量精度，在一个优选的实施例中，底座110靠近盖子120的端面上开设有四个卡槽111，十字板210的四个延伸部均卡嵌于对应的卡槽111中。
33.其中，十字板210的延伸部的末端处可通过螺钉固定在底座110上，十字板210的中心处悬空设于底座110中。
34.为了使底座110和盖子120之间的安装为对准，避免盖子120与十字板210之间发生干涉，在一个优选的实施例中，底座110和盖子120的侧壁处均开设有定位孔113，底座110上的定位孔113正对着盖子120上的定位孔113设置。
35.为了便于光纤光栅测量件220外界解调器、示波器等器件，在一个优选的实施例中，外壳100的外壁上设置开设有与安装空腔相连通的出口槽112，电缆线可从出口槽112进出安装空腔。
36.为了避免外壳100与十字板210的延伸部之间碰撞，如图3所示，在一个优选的实施例中，十字板210的中心处固定连接有一触点230，十字板210经由触点230与外壳100的内壁抵接。
37.在一个优选的实施例中，光纤光栅测量件220包括四个光纤光栅片、解调器以及示波器，四个光纤光栅片分别设置于十字板210的四个延伸部上，四个光纤光栅片经由解调器与示波器电连接。
38.由于光纤光栅对温度的敏感度较大，为了避免温度对光纤光栅的测量过程产生影响，在一个优选的实施例中，十字板210的中心处安装有一温度补偿光栅。实施时，通过温度补偿光栅与其余四个光纤光栅片之间的配合，可剔除温度的影响。
39.为了使测量结构更加精确，在一个优选的实施例中，相对的两个测量端分别贴于对应的延伸部的上方和下方设置。通过上述设置，安装于延伸部上方的两个光纤光栅片用于测量一对水平方向正交力。安装于延伸部下方的两个光纤光栅片用于测量轴向力。
40.当然，在其它优选的实施例中，测量端设置在延伸部上的位置不限，同样能够实现
本发明实施例测量外力的目的。
41.与现有技术相比：整个传感器可附着于衣物上，当触摸外壳100的表面的时候，与外壳100内壁抵接的十字板210的中心处产生形变，通过设置光纤光栅测量件220包括四个测量端，四个测量端分别设置于十字板210的四个延伸部上，用以检测十字板210的四个延伸部所受到的压力，具体的，光纤光栅测量件220的四个测量端接收到压力信号，其中，光纤光栅测量组件200可外接解调器、示波器等器件，来实现对压力信号进行分析和检测，可以理解的是，在应用于服装压力检测等微弱力时，光纤光栅的输出的直流响应好，检测精度高。
42.如图4所示，本发明实施例中还提供一种智能穿戴传感器的检测方法，包括如上的智能穿戴传感器，还包括以下步骤：
43.s100、获取十字板210以及光纤光栅测量件220的尺寸、位置信息，并获取光纤光栅测量件220的四个测量端的测量数据，基于测量数据得到反馈波长；
44.s200、基于尺寸、位置信息以及反馈波长，可计算得到施加于传感器的外力大小。
45.其中，先获取十字板210以及光纤光栅测量件220的尺寸、位置信息，知晓十字板210和光纤光栅测量件220的尺寸大小以及之间安装的相对位置，当十字板210的中心位置处受力时，十字板210产生形变，可通过光纤光栅测量件220的四个测量端得到测量数据，并通过解调器、示波器等器件可直接得到反馈波长，反馈波长的大小即可反应出十字板210的形变程度，根据上述获取的十字板210以及光纤光栅测量件220的尺寸、位置信息以及反馈波长，即可计算得到施加于传感器上微弱的外力大小。
46.在步骤s100中，获取十字板210以及光纤光栅测量件220的尺寸、位置信息包括十字板210的尺寸信息、光纤光栅测量件220的尺寸信息，以及十字板210和光纤光栅测量件220之间的位置信息。
47.为了便于理解，如图5-6所示，在本实施例中，十字板210包括中心柱以及四个主梁，其中，中心柱即为十字板210的中心部分以及触点230的结合体，四个主梁分别为梁ab、梁cd、梁ef以及梁gh，四个主梁的长度均相等，且沿中心柱周向均匀设置，同时，光纤光栅测量件220包括四个光纤光栅片，四个光纤光栅片分别记为fbg1、fbg2、fbg3以及fbg4，四个光纤光栅片的结构相同、且与四个主梁一一对应，四个光纤光栅片分别安装于对应的主梁的相同位置处，且四个光纤光栅片均布置于对应的主梁的中心线位置处，其中，fbg1和fbg2贴于对应的主梁的上方，fbg3和fbg4贴于对应的主梁的下方，以便于后续的计算过程。
48.步骤s100中，获取光纤光栅测量件220的四个测量端的测量数据，基于测量数据得到反馈波长。由于光纤光栅测量件220还包括解调器以及示波器，通过解调器以及示波器与四个光纤光栅片电连接，即可在示波器上直接读取波长值，即反馈波长。
49.为了便于理解十字板210的受力，以便于求解所需的压力，其中，外界施加给十字板210的各向外力(包括如图5中所示的fx，fy和fz)，四个主梁会随之产生相应的形变，光纤光栅片粘贴于主梁上，可测量相应的应变大小。梁ab和梁ef的中心线均位于yoz平面内，梁gh和梁cd的中心线均位于xoz平面内，根据弹性体的几何特征及光纤光栅的测量原理可知，由于十字梁型弹性体结构的对称性，在fx和fy作用下的变形情况是相似的，因此只对弹性体在fz作用下的变形情况进行分析。
50.假设fbg3的粘贴位置和fbg1距离中心柱的位置相等，那么fbg1和fbg3会对fx产生
相同的波长响应，这样波长偏移差为：δλ
1-3
＝δλ
1-δλ3，其中，δλ1＝λ
1-λ0、δλ2＝λ
2-λ0、δλ3＝λ
3-λ0、δλ4＝λ
4-λ0、δλ5＝λ
5-λ0，λ0为fbg1、fbg2、fbg3、fbg4、fbg5上的初始波长，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为fbg1、fbg2、fbg3、fbg4、fbg5检测时显示的波长，δλ1、δλ2、δλ3、δλ4、δλ5为对应的主梁上的波长差值，因此，就对fx和fy都不敏感，只对fz敏感，这样可将δλ
1-3
作为fz的测量信号，fbg2和fbg4也可用相同的原理。在这个传感器中，将建立十字梁弹性体fz作用下的力学模型，十字梁弹性体为静不定结构(也称超静定结构)，位移法以节点位移作为基本未知量，为常用的求解静不定结构的方法。当给中心柱施加压力时，位于是中心柱上下的光纤光栅的波长发生偏移，即可根据波长分别求解fx、fy、fz。
51.在步骤s200中，基于尺寸、位置信息以及反馈波长，可计算得到施加于传感器的外力大小。
52.将中心柱简化为刚体，当中心柱受x方向作用力fx时，中心柱处会受到xoy平面的力矩m作用。传感器沿x方向作用力fx与fbg1和fbg5中心波长漂移量的关系可确定为：
[0053][0054]
其中，pe为光纤的弹性系数，h为中心柱的高度；l为十字梁长度；r为中心柱的半径，e为弹性模量，i为十字梁极惯性矩，a为fbg粘贴位置到十字板210与底座110连接位置处的距离，b为十字梁厚度。
[0055]
通过上述公式即可求解出传感器沿x方向作用力fx。
[0056]
由于传感器的弹性结构对称，沿y方向作用力fy与fbg2和fbg5中心波长漂移量的关系式为：
[0057][0058]
通过上述公式即可求解出传感器沿y方向作用力fy。
[0059]
当中心柱受沿z方向作用力fz时，四个弹性梁的形变相同，等效于在b，d，f，h点对每个弹性梁施加沿z方向fz/4作用下的形变，沿z方向作用力fz与fbg3和fbg5中心波长偏移量的关系如下：
[0060][0061]
通过上述公式即可求解出传感器沿z方向作用力fz。
[0062]
在测力时，由于光纤光栅片对温度的敏感度较大，因此需要剔除温度对光纤光栅测量时的影响，在一个优选的实施例中，将fbg5作为温度补偿光栅，即将δλ5＝λ
5-λ0以及λ5带入上述求解fx、fy以及fz的公式中，利用双参数来得出力f和中心波长偏移量的差值成线性关系，以消除温度的干扰。
[0063]
与现有技术相比：先获取十字板210以及光纤光栅测量件220的尺寸、位置信息，知晓十字板210和光纤光栅测量件220的尺寸大小以及之间安装的相对位置，当十字板210的中心位置处受力时，十字板210产生形变，可通过光纤光栅测量件220的四个测量端得到测量数据，并通过解调器、示波器等器件可直接得到反馈波长，反馈波长的大小即可反应出十
字板210的形变程度，根据上述获取的十字板210以及光纤光栅测量件220的尺寸、位置信息以及反馈波长，即可计算得到施加于传感器上微弱的外力大小。
[0064]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。