基于摩擦电纳米发电机的可穿戴织物压力传感及应用研究

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随着社会的日益进步和人类生活节奏的不断加快,心血管疾病和睡眠呼吸暂停综合症的发病率和死亡率迅速上升,成为威胁人类健康的重要因素,而呼吸和脉搏信号是检测和诊断这些疾病的关键指标。因此,对呼吸和脉搏的监测可以提前发现身体状况的异常,并进行及时预防。然而,临床上大多数检测方法由于其昂贵的价格、笨重的器械都不适合长期的监测,因此,可穿戴式系统作为一种新兴的、有效的健康监测手段,可以实现对呼吸、脉搏等生命体征进行实时的、连续的监测。然而,目前常见的柔性可穿戴电子都需要基底进行支撑,而且需要用胶带或者创可贴等将其固定在皮肤上,长期使用可能会使皮肤感到不适。为了提升可穿戴电子在日常使用中的舒适性和透气性,电子织物作为一种理想的柔性器件进入人们的视野。然而,现有的电子织物存在灵敏度低、响应时间慢、测量生理参数单一等缺点。为此,本文开展了以下研究工作:(1)本文研究了基于摩擦电纳米发电机的织物可穿戴多功能压力传感器。该传感器以畦编组织的针织方法,结合单电极式摩擦电纳米发电机的工作机理,采用特制的导电纱线和常见的尼龙纱线为材料用工业电脑横机批量编织而成,并且根据需求将传感器缝入衣服的不同部位中。根据摩擦电纳米发电机的工作原理和传感器的结构设计,采用COMSOL对传感器进行了电学输出特性和受力分布的仿真。(2)对传感器的电学输出性能进行了测试。通过对两种线进行不同规格的组合,找到输出电压最大的一组并进行后续测试。改变单位面积内织物的松紧程度,测试传感器的最大输出。将上述的规格和松紧程度作为传感器的制作标准,对织物传感器的灵敏度、响应时间、稳定性和可洗性进行逐一测试。经过测试,传感器有较高的灵敏度和较短的响应时间,当外界压力小于3N时,灵敏度为7.84m V/Pa;响应时间为20ms,验证了其运用于健康监测的可行性。(3)利用织物传感器测试身体不同部位的脉搏信号,并对信号进行进一步的分析和计算,判断被测者是否患有心血管疾病。将织物传感器缝在颈带、护腕、护肘、袜子,或者将其做成指套,分别监测脖子、手腕、手臂、脚踝和手指处的脉搏信号。利用双通道电路系统同时测得两个不同部位的脉搏波形,计算脉搏波波速(PWV)的值,通过与正常范围比较,从而判断被测者是否患有心血管疾病。(4)利用缝有织物传感器的智能衣物同时测呼吸和脉搏信号,判断被测者是否患有睡眠呼吸暂停综合症。将传感器缝制在衣服的前襟和袖口上,让被测者穿着缝有传感器的智能衣物睡觉,在其睡眠时监测呼吸和脉搏波形的变化。根据这两个波形,可以判断被测者是否患有睡眠呼吸暂停综合症。将采集到的波形进行后续的分析处理,可以判断睡眠呼吸暂停综合症病情的严重程度和类型。
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