專利名稱：一種壓力分布測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，屬于體育科研、生物力學(xué)工程、醫(yī)療康復(fù)領(lǐng) 域、工業(yè)測量的一種測量儀器及測量手段，特別是涉及步態(tài)分析、工業(yè)測量方面的 一種壓力分布測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
在體育科研、生物力學(xué)工程和醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)常需要準(zhǔn)確知道人體行走或 運(yùn)動吋，人體足底與地面間的作用力、足底與店面的接觸狀況，足底的所受壓力的 分布情況，以期獲得體育科研、體育訓(xùn)練指導(dǎo)、醫(yī)療科研、殘?bào)w康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)的科 學(xué)依據(jù)。壓力分布測量裝置正是基于這種需求上開發(fā)的一種測量儀器。目前，按使 用的傳感器類型，壓力分布測量裝置可分為壓力印跡、電阻式、電容式、霍爾效應(yīng) 式等。目前常用的以電阻式和電容式為主。電容式壓力分布測量裝置如XSENSOR公司 的的墊面狀電容式壓力傳感器、德國Novel公司的電容式壓力分布測試系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是， 柔軟，耐用，精度較高；缺點(diǎn)是，較厚，這樣會影響所要測量的表面壓力值的準(zhǔn)確 性。電阻式壓力分布系統(tǒng)以美國Tekscan為代表，類似產(chǎn)品有，美國SPI，比利時(shí) RSscan,日本Fuj i等公司生產(chǎn)的壓力分布測試系統(tǒng)。其中RSscan為電阻應(yīng)變橋聯(lián)原
理，硬質(zhì)基底，使用場合受限，而且其傳感器的壽命較短，無論使用與否，每半年 到一年需更換一次傳感器，但其在軟件數(shù)據(jù)庫功能上非常有特色；Fuji膜為一次性 化學(xué)成像掃描原理，精度不到10%，單次測試成本300-500元，適用于一次性測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供一種壓力分布測量裝置及其測量方法，計(jì)算機(jī)通過采集力傳感器 輸出的力信息，通過分析軟件獲得作用力信息、作用力的分布信息、壓力中心、以 及功率譜信息等。為體育科研、體育訓(xùn)練指導(dǎo)、醫(yī)療科研、殘?bào)w康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)等提 供科學(xué)依據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是-
一種壓力分布測量裝置，其特征在于包括由柔性陣列傳感器(1)、嵌入式信
號驅(qū)動采集單元(2)和計(jì)算機(jī)(3),嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)驅(qū)動并采集柔性 陣列傳感器(1)上各陣列點(diǎn)感應(yīng)的壓力信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(3)。
一種壓力分布測量裝置，其特征是所說的柔性陣列傳感器(1)由二層對合的聚 酯薄膜基材(1-1)組成，每層聚酯薄膜基材(1-1)上均印有壓力傳感器電路陣列， 壓力傳感器電路上的電阻采用壓力敏感漿料(1-2)，電路上的導(dǎo)線采用銀漿導(dǎo)體 (1-3);同一聚酯薄膜基材(1-1)上的壓力傳感器電路陣列采用陣列式連接；二 層對合的聚酯薄膜基材(1-1)上的壓力敏感漿料(1-2)相互一一對合；所述的傳 感器陣列的信號引出線接入嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)。
所說的柔性陣列傳感器(1)陣列密度為1cm*1cm、或0. 5cm*0. 5cm。
所說的柔性陣列傳感器(1)陣列單元大小為20行*40列或20列*40行。
所說的柔性陣列傳感器(1)陣列單元外形為方形、矩形、圓形或鞋墊形。
所說嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)具有陣列的行列掃描驅(qū)動和陣列點(diǎn)的壓力信 號采集模塊。
一種壓力分布測量方法，包括接受柔性陣列傳感器(1)的模擬量信息和嵌入式 信號驅(qū)動采集單元(2)輸出的數(shù)字量信息，最后使用計(jì)算機(jī)分析處理軟件(3)對 結(jié)果進(jìn)行分析處理，其特征在于
壓力分布測量裝置工作后，所述的柔性陣列傳感器(1)開始采集壓力模擬量信
息；
所述的嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)，采用高速矩陣切換電路、現(xiàn)場總線體系 結(jié)構(gòu)、精確系統(tǒng)授時(shí)與數(shù)據(jù)同步方法設(shè)計(jì)，高速采集，通道采樣頻率250Hz;采用 三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和保存到計(jì)算機(jī)有線，無線，內(nèi)置存儲器；
所述的計(jì)算機(jī)分析處理軟件(3)完成多路傳感器信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲， 并實(shí)現(xiàn)常規(guī)文件處理、接觸圖像描繪、直方圖壓力圖譜、比例圖譜、基于時(shí)序的步 態(tài)參數(shù)、總壓力中心軌跡、分壓力中心軌跡、基本功率譜分析的計(jì)算分析功能。
所說的壓力分布測量裝置或與高速運(yùn)動分析儀、數(shù)字閃頻儀、高速攝像機(jī)配合
使用，在獲得被測物體壓力分布數(shù)據(jù)的同時(shí)，獲得被測物體的運(yùn)動軌跡。
柔性陣列傳感器(1):采用絲網(wǎng)印刷工藝和復(fù)合壓制成型工藝生產(chǎn)，有印跡傳 感器陣列、柔性力傳感器陣列和柔性壓力傳感器陣列三類，陣列密度最高可達(dá)4點(diǎn) /cm2，基本面積為1M*1.2M，可裁剪成各種形狀的傳感器(如鞋墊)，也可以組合成 很大的面積(跑道、實(shí)驗(yàn)室、場館)。
嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2):采用高速矩陣切換電路、現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)、 精確系統(tǒng)授吋與數(shù)據(jù)同步方法設(shè)計(jì)，高速采集，通道采樣頻率250Hz;可采用三種方 式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和保存到計(jì)算機(jī)有線，無線，內(nèi)置存儲器；嵌入式信號驅(qū)動采集 單元(2)具有陣列的行列掃描驅(qū)動和陣列點(diǎn)的壓力信號采集功能，通過USB2.0接 口與計(jì)算機(jī)連接；計(jì)算機(jī)分析處理軟及包括通信接口模塊、數(shù)據(jù)存取模塊、數(shù)據(jù)分 析模塊、檔案管理模塊以及打印驅(qū)動模塊。
計(jì)算機(jī)分析處理軟件(3):計(jì)算機(jī)分析處理軟件包括測試分析軟件和專家系 統(tǒng)平臺兩部分。測試分析軟件完成多路傳感器信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲，并實(shí) 現(xiàn)常規(guī)文件處理、接觸圖像描繪、直方圖壓力圖譜、比例圖譜、基于時(shí)序的步態(tài)參 數(shù)、總壓力中心軌跡、分壓力中心軌跡、基本功率譜分析等計(jì)算分析功能。訓(xùn)練專 家系統(tǒng)平臺完成基于具體運(yùn)動項(xiàng)目的訓(xùn)練模型的構(gòu)建、步態(tài)特征的分析與參數(shù)定義、 特征參數(shù)的提取、基于實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)的及吋反饋和訓(xùn)練指導(dǎo)等功能，本發(fā)明可測量 包括步某一局部受力單元的壓力、最大壓力、壓力中心和壓力分布等參數(shù)值。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)圖。
圖3是信號采集測量原理圖。
圖4嵌入式驅(qū)動信號采集單元原理圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1-4。圖1中陣列傳感器是將敏感材料按矩陣狀印刷到兩個(gè)絕緣基材(聚 酯薄膜)上，其中，1塊按行狀連接，艮P:在20cm邊連成20行引出；另1塊按列 狀連接，即連成40列，在20cm邊分成2個(gè)20線引出。由掃描驅(qū)動原理的分析可 知，為了盡可能接近理想狀態(tài)，二選一列切換開關(guān)的導(dǎo)通電阻必須盡可能小，選用ADG719。該芯片標(biāo)稱最大導(dǎo)通電阻4Q卵V/ 10Q@3V， 200M-3Db帶寬。多選一 的行切換開關(guān)選用ADG708，標(biāo)稱典型導(dǎo)通電阻3Q^V/8Q@3V， 55M-3Db帶寬。
柔性陣列傳感器(1)由二層對合的聚酯薄膜基材(1-1)組成，每層聚酯薄膜 基材(1-1)上均印有壓力傳感器電路陣列，壓力傳感器電路上的電阻采用壓力敏感 漿料(1-2)，電路上的導(dǎo)線采用銀漿導(dǎo)體(1-3);同一聚酯薄膜基材(1-1)上的 壓力傳感器電路陣列采用陣列式連接；二層對合的聚酯薄膜基材(1-1)上的壓力敏 感漿料(1-2)相互一一對合；所述的傳感器陣列的信號引出線接入嵌入式信號驅(qū)動 采集單元(2)。
圖2本設(shè)計(jì)掃描驅(qū)動部分采用5V供電，以增大信號輸出，同吋，降低模擬開 關(guān)的導(dǎo)通電阻。信號輸出部分采用0P196緩沖，以便延長輸出信號的傳輸距離。為 了減少本子系統(tǒng)到信號采集子系統(tǒng)的連線數(shù)目，行列驅(qū)動部分均采用串并裝換芯片 實(shí)現(xiàn)；本部分的輸入線共8個(gè)正電源、地線、行驅(qū)動數(shù)據(jù)線、行驅(qū)動時(shí)鐘線、行 驅(qū)動復(fù)位線、列驅(qū)動數(shù)據(jù)線、列驅(qū)動時(shí)鐘線、列驅(qū)動復(fù)位線；輸出線1個(gè)，信號輸出。
圖3單片機(jī)定時(shí)給出行列驅(qū)動信號，同時(shí)，控制AD轉(zhuǎn)換器采集陣列傳感器輸 出，存入IDT7206中，當(dāng)IDT7206中數(shù)據(jù)存滿后，由CY7C68013的GPIF接口控制 讀取，發(fā)送到計(jì)算機(jī)。在這里，AD芯片8位足夠，考慮到在測力平臺、傳感器的 信號采集上始終外購采集卡，給安裝調(diào)試等帶來一些不便，擬通過這次的設(shè)計(jì)做 到信號采集的通用性，故采用12/16bit的AD轉(zhuǎn)換器。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的壓力分布測量裝置及其測量方法進(jìn)行 各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變 型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和 變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種壓力分布測量裝置，其特征在于包括由柔性陣列傳感器(1)、嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)和計(jì)算機(jī)(3)，嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)驅(qū)動并采集柔性陣列傳感器(1)上各陣列點(diǎn)感應(yīng)的壓力信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力分布測量裝置，其特征是所說的柔性陣列傳 感器(1)由二層對合的聚酯薄膜基材(1-1)組成，每層聚酯薄膜基材(1-1)上均 印有壓力傳感器電路陣列，壓力傳感器電路上的電阻采用壓力敏感漿料(1-2)，電 路上的導(dǎo)線采用銀漿導(dǎo)體(1-3);同一聚酯薄膜基材(1-1)上的壓力傳感器電路 陣列采用陣列式連接；二層對合的聚酯薄膜基材(1-1)上的壓力敏感漿料(1-2) 相互一一對合；所述的傳感器陣列的信號引出線接入嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力分布測量裝置，其特征是所說的柔性陣列傳 感器(1)陣列密度為1cm*1cm、或0. 5cm*0. 5cm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力分布測量裝置，其特征是所說的柔性陣列傳 感器(1)陣列單元大小為20行*40列或20列*40行。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力分布測量裝置，其特征是所說的柔性陣列傳 感器(1)陣列單元外形為方形、矩形、圓形或鞋墊形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力分布測量裝置，其特征是所說嵌入式信號驅(qū) 動采集單元(2)具有陣列的行列掃描驅(qū)動和陣列點(diǎn)的壓力信號采集模塊。
7、 一種壓力分布測量方法，包括接受柔性陣列傳感器(1)的模擬量信息和嵌 入式信號驅(qū)動采集單元(2)輸出的數(shù)字量信息，最后使用計(jì)算機(jī)分析處理軟件(3) 對結(jié)果進(jìn)行分析處理，其特征在于壓力分布測量裝置工作后，所述的柔性陣列傳感器(1)開始采集壓力模擬量信息；所述的嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)，采用高速矩陣切換電路、現(xiàn)場總線體系 結(jié)構(gòu)、精確系統(tǒng)授時(shí)與數(shù)據(jù)同步方法設(shè)計(jì)，高速采集，通道采樣頻率250Hz;采用三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和保存到計(jì)算機(jī)有線，無線，內(nèi)置存儲器；所述的計(jì)算機(jī)分析處理軟件(3)完成多路傳感器信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲， 并實(shí)現(xiàn)常規(guī)文件處理、接觸圖像描繪、直方圖壓力圖譜、比例圖譜、基于時(shí)序的步 態(tài)參數(shù)、總壓力中心軌跡、分壓力中心軌跡、基本功率譜分析的計(jì)算分析功能。
8、根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種壓力分布的測量方法，其特征是所說的壓力分 布測量裝置或與高速運(yùn)動分析儀、數(shù)字閃頻儀、高速攝像機(jī)配合使用，在獲得被測 物體壓力分布數(shù)據(jù)的同時(shí)，獲得被測物體的運(yùn)動軌跡。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種壓力分布測量裝置及其測量方法，壓力分布測試裝置由柔性陣列傳感器(1)、嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)和計(jì)算機(jī)分析處理軟件(3)組成。嵌入式信號驅(qū)動采集單元(2)具有陣列的行列掃描驅(qū)動和陣列點(diǎn)的壓力信號采集功能，通過USB2.0接口與計(jì)算機(jī)連接；計(jì)算機(jī)分析處理軟及包括通信接口模塊、數(shù)據(jù)存取模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、檔案管理模塊以及打印驅(qū)動模塊。計(jì)算機(jī)通過采集力傳感器輸出的力信息，通過分析軟件獲得作用力信息、作用力的分布信息、壓力中心、以及功率譜信息等。為體育科研、體育訓(xùn)練指導(dǎo)、醫(yī)療科研、殘?bào)w康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)等提供科學(xué)依據(jù)。
文檔編號G01L1/18GK101201279SQ20071019126
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者軍 吳, 周玉潔, 月 宋, 箭 宋, 莊建海, 皓 戎, 梅桂艷, 衛(wèi) 陳 申請人:安徽君誠體育器材有限公司