想知道呼吸帶傳感器是如何工作的，或者想自己設計一個？本快速指南將帶您掌握傳感原理與電路基礎。無論您是愛好者、學生，還是正在探索可穿戴健康技術的工程師，都能從中獲得實用的見解，助您開啟自主設計之路。
腹式呼吸，也稱為橫膈膜呼吸或腹部呼吸，是一種通過深吸氣使腹部擴張，從而使肺部充分擴張的呼吸方式。這種呼吸方式會用到橫膈膜——位于肺底的一塊圓頂狀肌肉——它在吸氣時向下收縮，為肺部擴張創(chuàng)造空間，在呼氣時向上放松，將空氣排出。
相比之下，胸式呼吸(也稱胸腔呼吸或淺呼吸)依賴上胸部肌肉，產(chǎn)生的呼吸較短且效率較低，限制了氧氣攝入，并常常導致壓力和緊張。研究表明，腹式呼吸能夠降低心率和血壓，促進放松，并提高整體呼吸效率。
如果我們能測量自己的呼吸動作，實時捕捉呼吸狀態(tài)，并獲得有意義的反饋，那該多好？呼吸帶傳感器正是一種簡單而有效的解決方案。它能檢測呼吸過程中胸部或腹部直徑的變化，并將該運動轉換為電壓信號，以便記錄和分析，從而評估呼吸模式、頻率和深度。
首先請注意，盡管壓電式、電感式、電容式和應變片式傳感器常用于呼吸監(jiān)測，但本文重點介紹的是更易獲取的替代方案，即導電橡膠線和拉伸傳感器。這些材料為檢測腹部或胸部擴張?zhí)峁┝艘环N低成本、靈活的解決方案，非常適合DIY制作、課堂實驗以及基本生物反饋系統(tǒng)。
圖1：通用型2mm直徑導電橡膠線拉伸傳感器套件，可簡化呼吸帶組裝。
經(jīng)觀察，電子愛好者市場常見的標準2mm導電橡膠線每厘米的電阻約為140至160Ω。這一特性使其適合用于制作一種能在呼吸過程中響應胸圍或腹圍變化而產(chǎn)生電壓的呼吸帶。
接下來，將柔性傳感元件——導電橡膠線——牢固地粘貼在適當尺寸織物帶的內(nèi)側，即可制成傳感器。使用時，將其環(huán)繞身體，佩戴在呼吸時擴張最明顯的位置。
設計參數(shù)說明：這種摻碳黑的導電橡膠線在松弛狀態(tài)下，單位長度電阻約為140Ω/cm。拉伸過程中，導電顆粒間距增大，電阻成比例增加。
一旦外力移除，橡膠會逐漸恢復至原始長度，但不會立即復原。完全恢復可能需要一到兩分鐘，具體取決于材料和環(huán)境條件。通常可將該導線拉伸至超過其原始長度的50%至70%，但必須保持在此范圍內(nèi)以避免損壞。例如，一段15cm長的導電橡膠線，拉伸長度不應超過25至26cm。
請注意，這種導電橡膠線拉伸傳感器的特性并非完全線性。其電阻可能因批次不同而有所差異，因此最適合用于一般性地感知拉伸運動，而不適用于精確測量。
為了準確解讀信號，必須采用能對橡膠線長度變化作出合理響應的定制電路；否則，所得數(shù)據(jù)將不可靠。適配器電子電路的輸出連接器應提供與傳感元件拉伸程度成正比的電壓。
坦白說，本文不會深入探討呼吸帶傳感器的機械結構，盡管導電橡膠線在電路中使用相對容易。然而，無論是在機械連接還是電氣連接方面，它們都可能有些棘手。
下圖展示了所提出的電阻式拉伸傳感器前端電子電路(顯然不是最終外觀)。該電路經(jīng)過電壓縮放和線性化優(yōu)化，可產(chǎn)生適用于大多數(shù)微控制器ADC的模擬輸出。
圖2：建議的傳感器前端電路展現(xiàn)了一種簡化的模擬方法。
至此，呼吸帶傳感器(俗稱呼吸帶)的設計方案已清晰呈現(xiàn)。它包含一個電阻式拉伸傳感器，用于檢測呼吸過程中胸部或腹部擴張的變化。隨著呼吸帶的拉伸，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個在規(guī)定范圍內(nèi)變化的模擬輸出電壓。該電壓大致與拉伸量成正比，提供一個連續(xù)信號，反映呼吸模式。
補充說明：比例輸出是指傳感器輸出電壓與其供電電壓成比例變化。換句話說，輸出信號隨電源電壓本身而變化，因此電源電壓的任何變動都會引起輸出相應變化。這種特性常見于未放大傳感器中，其輸出通常表示為電源電壓的百分比。
在結束之前，我剛剛發(fā)現(xiàn)另一種值得提及的電阻式應變傳感器：雅馬哈的GummiStra。這是一種類似橡膠的可拉伸傳感器，能夠靜態(tài)和動態(tài)地檢測從微小到大幅的應變(最大可拉伸至原長的兩倍)。可訪問雅馬哈的技術頁面了解其詳細性能。
圖3：GummiStra為可穿戴設備、機器人和結構健康監(jiān)測中的電阻式拉伸傳感開辟了新的應用。
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