基于蓝牙的可穿戴汗液多参数电化学传感器监测系统的研制

作     者：刘罡 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：包宇

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：汗液监测 电化学传感器 柔性印刷技术 穿戴式设备 低功耗蓝牙 监测 

摘      要：针对运动中汗液检测领域对检测系统可穿戴,高精度,长时间检测的需求,设计并制作了一种多参数、可穿戴的无线电化学检测系统。此系统的硬件电路部分以微功耗放大器ADA4505-2为核心构成微型恒电位仪电路和开路电位采集电路,低噪声24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)AD7124-4作为转换电路,双通道、12位模数转换器(DAC)AD5623为基准电压源和控制电位发生器件,低功耗蓝牙(BLE)芯片CC2640R2F作为主控制器,采用ADP1711AUJZ-3.3-R7和TPS79933DDCT芯片分别作为前端模拟电路和转换电路和主控制器电路供电。采用370m Ah锂电池供电时,可连续工作5小时以上,满足监测时长需要,系统具有三个通道电位和两个通道电流的同步检测能力,可同时实现最多5种不同物质的浓度监测,为了验证系统可靠性和精度,通过外部信号源分别进行了电位监测和电流监测能力测试,测试结果表明,电压分辨率达到1μV,电流分辨率达到1nA。改进后的柔性监测装置可监测6种不同汗液电解质的浓度监测,监测系统整体可佩戴于腕部、腿部、头部等位置。本文基于电化学基本原理,设计制作了玻碳电极和基于丝网印刷技术的柔性ISE传感器,用于验证监测装置监测多参数汗液物质的可行性。分别采用离子选择性电极进行钾离子浓度梯度测试和电流型传感器进行尿酸浓度梯度测试,并将测试结果与实验室台式电化学分析仪器相比对,验证了此监测系统对汗液物质浓度的变化的检测能力;应用自制的基于PET材料的柔性ISE传感器结合本系统对多通道人造汗液离子的浓度变化以及人体运动过程中汗液里pH的变化进行实时监测,实验结果满足预期要求,验证了本系统实际监测应用的可行性。本论文基于Android Studio开发了与硬件电路通信的智能移动设备应用程序,可实现蓝牙连接、断开、数据传输,数据显示、图像显示以及数据保存等多个功能,实现了多个通道数据的实时监测,以散点图的形式直观的呈现采集的数据。综上所述,本研究提供的适用于运动场景下的多参数汗液监测装置,可实时监测人体在运动状态下汗液物质浓度变化,从而对运动员在训练时监测生理负荷有较好的应用前景。