组成图示
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传感器类型
可穿戴生物传感器
检测对象
呼吸率（respiratory rate, RR）、呼吸努力（respiratory effort）；样品基质：人体胸廓运动/体表机械信号（站立位人体）
检测原理
该装置以胸廓呼吸运动为输入。吸气时胸廓周长增大，绳索两端被拉开，带动伺服电机臂架旋转并拉伸橡皮筋；呼气时橡皮筋将臂架拉回。齿轮组将小幅胸廓位移转换为较高转子转速。转子线圈在永磁体磁场中旋转，依据法拉第定律产生感应电动势，电机端子输出交流电压和电流。由于感应电压与位移速度相关，呼吸越快或胸廓运动速度越大，正负峰值越高；正半周对应吸气，负半周对应呼气。对输出信号进行FFT并检测周期图主峰，即可得到呼吸率。同时，输出可经整流存入电容，为低功耗微控制器供电，实现传感与能量收集一体化。
检测灵敏度
—
效应效果
实验在一名站立受试者上完成，覆盖正常呼吸、快速深呼吸和屏气后呼气三种场景，并以压电呼吸带作为参考。伺服输出正负峰值与压电参考基本对齐；屏气时胸廓无运动，伺服无输出。FFT提取的呼吸率与参考一致：正常呼吸23.3次/分，快速呼吸46.7次/分。正常呼吸下峰峰值电压约1.4 V，峰峰值电流约84.8 mA，峰值功率约15 mW。作者认为该方案可同步实现呼吸率监测和能量收集，输出可整流储能并驱动低功耗微控制器，是零净能耗可穿戴生物传感器的可行路径；但尚未报告多受试者、运动状态、RSD或实际样品回收率。
传感器的构成
- 换能器主体：Futaba S3003伺服电机（含永磁体直流电机、齿轮组、电位计、控制电路），反向作为电磁发电机并放大转速
- 机械耦合层：塑料间隔件、绳索、橡皮筋和固定线，将胸廓周长变化转换为臂架旋转并提供呼气复位力
- 信号输出层：电机端子输出交流电压/电流，经整流与电容储能，可驱动低功耗微控制器
- 信号处理层：Matlab FFT峰值检测，从伺服输出波形提取呼吸率
- 参考验证层：压电呼吸带同步记录胸廓位移，用于与伺服输出对比验证
中文摘要
可穿戴健康与健身监测系统能够无创、连续地采集生理数据，但传统设备依赖电池，长期监测会带来频繁更换电池和电子废弃物问题。本文提出一种零净能耗生物传感器概念，通过同时感知和收集呼吸努力来为可穿戴传感器供电。作者将市售Futaba S3003伺服电机反向用作电磁发电机，并改装为佩戴于胸骨处的胸带装置。胸廓在吸气和呼气过程中周长变化，通过绳索驱动伺服电机臂架旋转，橡皮筋提供回复力；电机内部永磁体直流电机转子线圈在磁场中旋转，依据法拉第定律感应出电压和电流。实验在一名站立受试者上比较了正常呼吸、快速深呼吸和屏气后呼气三种情况，并以压电呼吸带作为参考。结果表明，伺服电机输出峰值与压电参考一致，可准确提取呼吸率：正常呼吸为23.3次/分，快速呼吸为46.7次/分；正常呼吸下峰峰值电压约1.4 V、峰峰值电流约84.8 mA，峰值功率约15 mW。该工作首次报道了基于电磁发电机的呼吸率传感结果，展示了自供电可穿戴生理监测的可行性。
英文摘要
Wearable health and fitness monitoring systems are a promising new way of collecting physiological data without inconveniencing patients. Human energy harvesting may be used to power wearable sensors. In this paper, we explore this zero-net energy biosensor concept through sensing and harvesting of respiratory effort. An off the shelf servo motor operation in reverse was used to successfully obtain respiratory rate, while also demonstrating significant harvested power. These are the first reported respiratory rate sensing results using electromagnetic generators.