*CN202836617U*
(10)授权公告号 CN 202836617 U(45)授权公告日 2013.03.27
(12)实用新型专利
(21)申请号 201220466656.9(22)申请日 2012.09.14
(73)专利权人北京体育大学
地址100084 北京市海淀区信息路48号(72)发明人周越 曹润 于亮 杨冕 何辉
熊开宇 王瑞元(74)专利代理机构北京市卓华知识产权代理有
限公司 11299
代理人申率(51)Int.Cl.
G01D 21/02(2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页权利要求书1页 说明书4页 附图2页
(54)实用新型名称
便携式气体代谢分析仪(57)摘要
本实用新型涉及一种便携式气体代谢分析仪，包括温湿度传感器模块、心率传感器模块、通气量传感器模块、CO2含量传感器模块、O2含量传感器模块、与上述各模块连接的中央处理模块以及与中央处理模块通信连接的处理数据用的上位计算机，所述CO2含量传感器模块中含有气压传感装置，所述中央处理模块和所述温湿度传感器模块设置在一个便于随身携带的分析仪机箱内部，所述分析仪机箱内部还设有电源，所述中央处理模块还电连接有若干个信号指示灯，所述电源的电源开关和所述信号指示灯设在所述分析仪机箱上。本实用新型支持低氧环境测试，能适应环境的气压和氧浓度变化，比手动输入气压值更为简便，操作误差更小。CN 202836617 UCN 202836617 U
权 利 要 求 书
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1.一种便携式气体代谢分析仪，其特征在于包括：中央处理模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、心率传感器模块和气体感应装置，所述气体感应装置中设有气压传感装置，所述温度传感器模块、湿度传感器模块、心率传感器模块和所述气压传感装置的输出接口各自与所述中央处理模块的感应信号输入接口连接。
2.根据权利要求1所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述气体感应装置还包括：通气量传感器模块、CO2含量传感器模块和O2含量传感器模块，所述通气量传感器模块、CO2含量传感器模块和O2含量传感器模块各自设有独立的输出接口，且这些输出接口均连接到所述中央处理模块的感应信号输入接口。
3.根据权利要求2所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述温度传感器模块和湿度传感器模块集成在一个温湿度传感器模块中，所述温湿度传感器模块包括顺次连接的温湿度传感器元件、信号放大器、模/数转换器，还包括数据存储器、控制器和内部总线，所述模/数转换器、数据存储器通过所述内部总线与所述控制器通信连接，所述内部总线设有输出接口，该输出接口构成所述温度传感器模块的输出接口和所述湿度传感器模块的输出接口的集成输出接口，与所述中央处理模块的感应信号输入接口连接。
4.根据权利要求3所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述气压传感装置与所述CO2含量传感器模块集成。
5.根据权利要求4所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述心率传感器模块与所述中央处理模块的连接为无线连接。
6.根据权利要求5所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述中央处理模块的核心元器件为PIC芯片。
7.根据权利要求6所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于还包括有处理数据用的上位计算机，所述上位计算机与所述中央处理模块有线通信连接或无线通信连接，当为无线通信连接时，所述中央处理模块和上位计算机分别设有相互间进行无线通信的无线发送模块和无线接收模块，所述上位计算机与所述中央处理模块通过所述无线发送模块和无线接收模块无线通信连接。
8.根据权利要求7所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述无线发送模块为CC1100微功率无线数传模块，所述无线接收模块为USB-1100PA无线通信模块。
9.根据权利要求3、4、5、6、7或8所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述中央处理模块和所述温湿度传感器模块设置在一个便于随身携带的分析仪机箱内部，所述中央处理模块的感应信号输入接口设在所述分析仪机箱上。
10.根据权利要求9所述的便携式气体代谢分析仪，其特征在于所述分析仪机箱内部设有用于为各个模块供电的电源，所述中央处理模块还电连接有若干信号指示灯，所述信号指示灯包括有：电源电量指示灯、通气量指示灯和心率信号指示灯，所述电源的电源开关和所述信号指示灯设在所述分析仪机箱上。
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说 明 书便携式气体代谢分析仪
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技术领域
本实用新型涉及一种检测运动员最大摄氧量的气体分析装置，具体涉及一种便携
式气体代谢分析仪。
[0001]
背景技术
气体代谢分析主要用于最大摄氧量的测试。最大摄氧量是指在人进行高强度的运
动中，当身体出现无力继续支撑接下来的运动时，所能摄入的氧气含量，该指标作为耐力运动员的重要选材依据之一。
[0003] 现有的测试方法主要有实验室测试和运动现场检测。[0004] 实验室测试为，运动员在室内携戴专门的气体分析仪器，通过在运动器械上运动，对其呼出的气体进行分析。实验室测试不足之处在于：所使用的仪器如V02000、K4b2、MAX1等气体代谢分析仪，只局限于实验室测试；需要手动输入气压；且无法在低氧环境中测试；不利于运动员的现场检测；特别是不利于在低氧环境中的检测。[0005] 运动现场检测为，运动员携戴一种便携式气体代谢分析仪，可用于运动现场检测。现有的运动现场检测方法不足之处在于：目前还没有利用便携式气体代谢分析仪在低氧环境中测试的报道，使得对运动员最大摄氧量的测试无法在低氧环境中进行。特别是，德国的JAEGER气体代谢测试仪没有自带的气压传感器，需要使用其他仪器测量气压后手动输入气压值，当实验员遗漏这一步骤，将影响实验结果，产生实验误差，造成科研资源的浪费。
[0002]
实用新型内容
[0006] 为了克服现有技术下的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种便携式气体代谢分析仪，支持低氧环境测试，使运动员最大摄氧量的测试能适应环境的气压和氧浓度变化，减少了最大摄氧量测试的误差。[0007] 本实用新型的技术方案是：一种便携式气体代谢分析仪，包括：中央处理模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、心率传感器模块和气体感应装置，所述气体感应装置中设有气压传感装置，所述温度传感器模块、湿度传感器模块、心率传感器模块和所述气压传感装置的输出接口各自与所述中央处理模块的感应信号输入接口连接。[0008] 所述气体感应装置还可以包括：通气量传感器模块、CO2含量传感器模块和O2含量传感器模块，所述通气量传感器模块、CO2含量传感器模块和O2含量传感器模块各自设有独立的输出接口，且这些输出接口均连接到所述中央处理模块的感应信号输入接口。
[0009] 所述温度传感器模块和湿度传感器模块优选集成在一个温湿度传感器模块中，所述温湿度传感器模块包括顺次连接的温湿度传感器元件、信号放大器、模/数转换器，还包括数据存储器、控制器和内部总线，所述模/数转换器、数据存储器通过所述内部总线与所述控制器通信连接，所述内部总线设有输出接口，该输出接口构成所述温度传感器模块的输出接口和所述湿度传感器模块的输出接口的集成输出接口，与所述中央处理模块的感应信号输入接口连接。
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所述气压传感装置优选与所述CO2含量传感器模块集成。
[0011] 所述心率传感器模块与所述中央处理模块的连接优选为无线连接。[0012] 所述中央处理模块的核心元器件优选采用PIC芯片。
[0013] 所述便携式气体代谢分析仪还可以包括有处理数据用的上位计算机，所述上位计算机与所述中央处理模块有线通信连接或无线通信连接，当为无线通信连接时，所述中央处理模块和上位计算机分别设有相互间进行无线通信的无线发送模块和无线接收模块，所述上位计算机与所述中央处理模块通过所述无线发送模块和无线接收模块无线通信连接。[0014] 所述无线发送模块优选为CC1100微功率无线数传模块，所述无线接收模块优选为USB-1100PA无线通信模块。
[0015] 对于前述的任意一种所述便携式气体代谢分析仪，所述中央处理模块和所述温湿度传感器模块可设置在一个便于随身携带的分析仪机箱内部，所述中央处理模块的感应信号输入接口设在所述分析仪机箱上。
[0016] 所述分析仪机箱内部设有用于为各个模块供电的电源，所述中央处理模块还电连接有若干信号指示灯，所述信号指示灯包括有：电源电量指示灯、通气量指示灯和心率信号指示灯，所述电源的电源开关和所述信号指示灯设在所述分析仪机箱上。[0017] 本实用新型的有益效果为：[0018] 1.由于该分析仪可随身携带，可用于现场检测；[0019] 2.由于该分析仪含有气压传感装置，所以无需手动输入气压值，操作简便，操作误差减少；
[0020] 3.该分析仪可用于低氧环境中的检测，应用范围更广泛；
[0021]
4.该分析仪体积小便于运动员携带。
附图说明
图1是本实用新型的一个实施例的结构示意图；[0023] 图2是本实用新型的另一个实施例的结构示意图。
[0022]
具体实施方式
[0024] 参见图1、2，一种便携式气体代谢分析仪，包括：中央处理模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、心率传感器模块8和气体感应装置2，所述气体感应装置2中设有气压传感装置，所述温度传感器模块、湿度传感器模块、心率传感器模块和所述气压传感装置的输出接口各自与所述中央处理模块的感应信号输入接口4连接。[0025] 所述气体感应装置2还包括：通气量传感器模块10、CO2含量传感器模块7和O2含量传感器模块9，所述通气量传感器模块10、所述CO2含量传感器模块7和所述O2含量传感器模块9各自设有独立的输出接口，且这些输出接口均连接到所述中央处理模块的感应信号输入接口。所述通气量传感器模块10采用微桥大流量气体质量流量传感器，可用于在线
传流量测量，满足了现场流量测量要求。所述O2含量传感器模块9采用电化学氧传感器，
感器测试范围为0％→100％O2，大气环境条件下输出值为9mV到14mV，本仪器测试O2浓度范围为12％→21％O2。所述CO2含量传感器模块7，由于其中含有气压传感装置，能感知气压变化，此设置比手动输入气压值更为简便，减少操作误差，同时，为在低氧环境中的摄氧
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量测试提供了条件。
[0026] 所述温度传感器模块和湿度传感器模块集成在一个温湿度传感器模块14中，所述温湿度传感器模块包括顺次连接的温湿度传感器元件、信号放大器、模/数转换器，还包括数据存储器、控制器和内部总线，所述模/数转换器、数据存储器通过所述内部总线与所述控制器通信连接，所述内部总线设有输出接口，该输出接口构成所述温度传感器模块的输出接口和所述湿度传感器模块的输出接口的集成输出接口，与所述中央处理模块的感应信号输入接口连接。所述内部总线优选为I2C总线。所述数据存储器主要用于储存所述温湿度传感器模块的校准数据。由于所述温湿度传感器模块14将调理电路与温湿度传感器元件集成在了一起，降低了系统的噪声干扰。所述温湿度传感器模块可以直接通过总线与任何种类微处理器、微控制器系统接口直接连接，从而减少了传感器接口开发时间及降低了硬件成本。
[0027] 所述气压传感装置与所述CO2含量传感器模块优选集成在一个模块中，本实用新型的一个实施例中采用内置式二氧化碳测试模块充当该集成后的模块，设有可编程串口，所述串口为TTL、RS232可选，该模块可输出CO2波形、气压数据、呼末值、吸入值和呼吸率。[0028] 所述心率传感器模块与所述中央处理模块的连接优选为无线连接，通过设置无线接收、发射装置实现。例如，所述心率传感器模块8可设有无线发射装置6，所述中央处理模块的感应信号输入接口可连接有与所述无线发射装置6通信的无线接收装置5。所述心率传感器模块可以采用心率表，与无线发射装置6一起由运动员佩戴在手臂上，便于心率监控。其中无线接收装置可通过其上设置的串口直接输出心率值。采用无线连接方式的优点是不妨碍被试者在测试过程中的身体活动。
[0029] 所述中央处理模块的核心元器件为单片机1，所述单片机优选采用PIC芯片，该芯片体积小、功能强、功耗低、设计开发灵活方便和价格低廉，在程序控制方面，主要是在开机后完成电源的检测和提醒，然后对各个传感器模块采集的数据进行AD转换或读取，通过无线方式传输到上位计算机中。所述中央处理模块的感应信号输入接口与所述单片机的输入输出接口连接。
[0030] 所述便携式气体代谢分析仪还可以包括有处理数据用的上位计算机11，负责集中管理计算数据。所述中央处理模块和各个传感器模块组成的下位机采集的数据可通过RF1100SE无线模块、NetUSB-1100无线模块传送到PC机，将所要求的数据存储到数据库中。PC机使用VB编写程序完成对气体代谢相关数据的后续分析。
[0031] 所述上位计算机11与所述中央处理模块有线通信连接或无线通信连接，当为无线通信连接时，所述中央处理模块和上位计算机分别设有相互间进行无线通信的无线发送模块16和无线接收模块17，所述上位计算机与所述中央处理模块通过所述无线发送模块和无线接收模块无线通信连接。所述无线发送模块16可以连接在所述中央处理模块的感应信号输入接口上。
[0032] 所述无线发送模块优选为CC1100微功率无线数传模块，例如可采用TI公司的高性能CC1101无线通信芯片，最大传输数率可达500Kbps，开阔地传输距离可达200-300米，工作电压：1.8V至3.6V，工作于433MHz频段免许可证使用，较低的电流消耗，标准DIP间距接口，便于嵌入式应用。所述无线接收模块优选为USB-1100PA无线通信模块，例如可采用TI的CC1101高性能无线通信芯片，采用433MHz开放ISM频段免许可证使用，内置功率放
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大电路，增益高，传输距离远，适用于构建PC之间以及PC和电子装置之间的无线控制系统。该芯片的工作速率为250Kbps，采用高效的MSK调制，因此抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，由于通过USB直接取电，因此无需外接电源，收发模式切换时间小于130us，可直接连接PC的USB口，且软件编程非常方便。
[0033] 所述便携式气体代谢分析仪还包括一个便于随身携带的分析仪机箱3，所述中央处理模块和所述温湿度传感器模块14设置在所述分析仪机箱3的内部，所述中央处理模块的感应信号输入接口设在所述分析仪机箱上。
[0034] 所述分析仪机箱3内部设有用于为各个模块供电的电源13，所述中央处理模块还电连接有若干个信号指示灯15，所述信号指示灯15包括有：电源电量指示灯、通气量指示灯和心率信号指示灯，还可以包含电源开关指示灯、呼吸状态指示灯。所述电源电量指示灯是用LED灯指示电量剩余量，防止在测试过程中电池没电而造成数据丢失。电池电量的检测可通过在中央处理模块中设置检测电路来实现，该检测电路可以。所述电源的电源开关12和所述信号指示灯设在所述分析仪机箱上。本实用新型为便携设备，因此电源13可以使用9V碱性电池，也可使用锂离子充电电池等。[0035] 使用时，先将分析仪机箱3固定于运动员背部，打开电源开关12，检查指示灯15，确认所述便携式气体代谢分析仪能够正常工作，然后进行气体校准：(1)将打气筒连接分析仪的口嘴，缓慢匀速的打气，用计算机软件设置，进行通气量的校准；(2)将口嘴与I瓶(含纯净氮气)连接，用计算机设置，进行CO2、O2浓度的基线校准，即零的标定；(3)将口嘴与II瓶(含15％CO2与5％O2)连接，通过计算机设置，校准CO2、O2浓度。气体校准完成后，本实用新型测量所处环境中空气的氧含量和二氧化碳含量，以及温湿度和气压，采用BRUCE方案(即“变速斜率运动”方案)，测试运动员的最大摄氧量，运动员代谢气体数据通过无线通信模块16实时传递给上位计算机11进行摄氧量的分析计算，结果显示在上位计算机11的显示器上。
[0036] 所述上位计算机11上安装适于低氧环境下的测试分析软件，采用上述相同过程，即可应用所述便携式气体代谢分析仪在低氧环境中进行测试。
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