[发明专利]一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统

说明书

本发明提供了一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统。该计步系统包括：摩擦电式压力传感器，设置在鞋垫内，用于将人体行走的机械能转化为电能以输出模拟电压信号；处理器，设置在鞋垫内并与所述摩擦电式压力传感器电连接，用于将所述摩擦电式压力传感器输出的所述模拟电压信号转化为数字信号，并对所述数字信号中表示人体行走一步的信号进行计数；数据接收器，与所述处理器电连接，用于接收所述处理器的计数结果，从而获得人体行走的步数。本发明计步系统与鞋子联系起来，更好地契合人体，使得传感器获得的步数的精度显著提高，同时解决了传统式传感器的能源消耗问题。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统。

背景技术

随着国家经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们越来越多地关注自身的健康问题，想要追寻健康的生活方式。智能化的物联网技术的发展和成熟为人们监测和获取自身健康指标提供了巨大的便利。步数作为每日运动的指标之一备受关注，计步器通过统计步数、距离、速度、时间等数据，测算卡路里或热量消耗，用以掌控每日的运动量。

目前市面上应用最广泛的计步器是手机计步APP、计步手环，其一般利用的是压电式加速度传感器，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。通过这个加速度传感器，可以测量人体在三个不同方向上的加速度。然后通过对这个加速度的值进行计算，大概测出走路的步数。然而，这种压电式加速度传感器也存在一些弊端。首先，人体较大的动作或者坐在公交车上等等情况都会造成加速度计的震动，产生数据误差。其次，该加速度传感器需要一个外接电源为压电元件持续供电，实时监测其电压大小，产生能量损耗。在计步的准确性和能耗性方面，加速度传感器依然存在很大缺陷。

因此，研究出一种主动型传感器用以满足精确计步需求有着重要的意义。

发明内容

主动型传感器是指传感器本身在吸收了能量，如光能、热能或机械能等，经它本身变换后再输出电能，如采用压电效应、磁致伸缩效应、热电效应、光电效应等制成的传感器都属于主动型传感器，该类传感器不需要外加电源，本身就是一个能量变换器。而被动型传感器需要外加输入电源/偏压，它以改变电阻或其他物理特性等方式向外输出电信号，采用电阻、电感、电容及应变效应、磁阻效应、热阻效应制成的传感器都属于被动型传感器，但这类传感器信号的输出需要测试回路提供电源，且电源的输出能量要受测试对象输出信号所控制。

目前，已经开发的主动型压力传感器主要是基于压电材料受力后由于压电效应产生电信号，从而可感知压力的压电式压力传感器。但压电式压力传感器只适用于静态压力测试，不适用于动态施力过程监控，如无法得到频率、速度、加速度、位移等多个动态参量，已不能满足人机交互、电子皮肤等前沿应用的技术需求，因此，亟需开发一种可同时进行静态和动态的监测的新型主动式压力传感器。

本申请的发明人发现摩擦电式压力传感器(Triboelecric Nanogenerator BeseActive Sensor)可以反馈出施加外力的所有信息(包括压强、运动、振动等)，是一种稳定可靠高性能的主动式压力传感器。摩擦电式压力传感器是基于接触起电和静电感应的耦合作用，传感器可以通过分析环境中的激励所产生的电学信号来实现传感，这种传感器不需要外部电源来驱动，依靠机械触发所产生的电学输出作为检测信号的。该摩擦电式压力传感器也即摩擦纳米发电机，可以对应诸如压阻式、压电式、电容式传感器等。本发明的一个目的是要提供一种主动型传感器以满足计步以及无需外接电源供电的需求。

本发明的另一个目的是要提供能够精确计步的传感电路。

特别地，本发明提供了一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统，包括：

摩擦电式压力传感器，设置在鞋垫内，用于将人体行走的机械能转化为电能以输出模拟电压信号；