Precision temperature measurements in wearables : practical considerations

Abstract

Wearable devices collect multiple measurements from the user and based on these calculate various metrics to be displayed. One of these metrics is energy expenditure which has been traditionally calculated using metabolism models and heart rate, typically having large error margins. Improved results have been achieved by augmenting the estimate with heat flux data measured from the subject, where accurate temperature measurements play a key role. The purpose of this thesis was to study suitable temperature sensors for wearable applications and to design a test setup for conducting measurements on their practical performance. This thesis was conducted for LUT university in collaboration with Vire Health Oy.

A literature review was conducted on the fundamentals of temperature measurement technologies and their suitability for this particular use case. Based on the literature review and previous experiences potential temperature sensor candidates were proposed for further study. Based on previous prototypes a summary of the used ADC functionalities and practical considerations was documented for future use.

A test setup was designed to examine the practical performance of the selected sensors and the ADC, modular circuit boards were made that could be used for this thesis and possible future measurements. Measurement parameters for the selected sensors and the ADC were proposed that would yield optimal results for initial measurements.

Based on the measurement results the variations between sensors from the same manufacturing batch can be large but predictable and they can be corrected by calibrating the sensors. Further tests are required to study the practical resolution limits of the sensors and ADC, in a more controlled environment where the effects of other personnel in the vicinity of the test setup can be mitigated and changes in the ambient environment can be controlled.

Puettava elektroniikka mittaa käyttäjästään useita eri asioita ja laskee näiden mittausten perusteella erilaisia parametrejä, jotka kertova käyttäjän sen hetkisestä olotilasta. Yksi näistä mittareista on energiankulutus, joka perustuu tyypillisen ihmisen aineenvaihdunnan malliin sekä sykkeeseen. Tyypillisesti tällaisessa mittauksessa virhemarginaalit ovat suuria. Kokeellisissa mittauksissa virhettä on saatu pienennettyä yhdistämällä energiankulutusarvioon käyttäjästä mitattua lämpövuodataa, jonka tarkkuuteen vaikuttaa referenssilämpötilan mittauksen tarkkuus. Tutkimuksen päätavoitteena oli löytää tähän käyttöön sopivia lämpötila-antureita sekä suunnitella mittausjärjestely valittujen anturien käytännön suorituskyvyn mittaamiseen. Työ tehtiin LUT yliopistolle yhteistyössä Vire Health Oy:n kanssa.

Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin lämpötilan mittaamista sekä siihen soveltuvia teknologioita ja aikaisempien kokemusten sekä tämän tutkimuksen perusteella valittiin neljä sopivaa anturia jatkotutkimuksia varten. Aikaisemmissa prototyypeissä käytetyn A/D-muuntimen ominaisuudet ja käyttämisen kannalta oleelliset parametrit dokumentoitiin tulevia projekteja ajatellen.

Työssä suunniteltiin mittausjärjestelyt anturien sekä A/D-muuntimen suorituskyvyn mittaamiseen ja mittauksia varten suunniteltiin piirilevyt, joita voitaisiin käyttää myös mahdollisissa jatkotutkimuksissa. Antureille sekä A/D-muuntimelle on esitelty käytettävät mittausparametrit.

Mittausten perusteella anturien välillä voi olla suurtakin poikkeamaa valmistuserän sisällä, tosin nämä poikkeavuudet ovat ennustettavissa ja ne voidaan korjata kalibroimalla yksittäiset anturit. Jatkotutkimuksia tulee suorittaa anturien ja A/D-muuntimen käytännön resoluution tutkimiseksi tilassa, jossa ympäristön vaikutukset mittausjärjestelyihin ovat paremmin hallittavissa.