CN100460851C - 一维冲击强度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一维冲击强度测试装置，用于测试一模拟头垂直下落对地面的冲击强度，它包括模拟头下落架、设于模拟头下落架上的光控开关、设于模拟头上的加速度传感器和遮光隔板、以及测试主机。该遮光隔板经过光控开时触发光控开关产生两次中断信号，加速度传感器测量模拟头撞击地面时的加速度并传输给测试主机。测试主机对采样和保存加速度数据，并计算加速度峰值和头部伤害评判(HIC)值，以及对两次中断信号的时差计时以计算模拟头下落高度值，并将这些数据保存和显示。本发明一维冲击强度测试装置具有较高的采样速率和滤波器转折频率，能够精确测量加速度数据和计算头部伤害评判值，并精确计算对应每次冲击的高度。

Description

一维冲击强度测试装置

技术领域

本发明涉及一种一维冲击强度测试装置，尤其涉及一种测量垂直冲击物对地面材料造成的冲击强度的测试装置。

背景技术

每年有成千上万的人在运动场地上受伤，许多研究表明，60％—70％的运动场地受伤是由于跌落在运动器材下面的地面或中间平台。这些伤害中又有50％是脑部伤害。

事实上，现有很多材料能保护人脑在运动或游玩时免受伤害，但是在使用材料时必须先测试这些材料是否能够提供足够的缓冲以达到安全要求。因此，国外对运动场地安全性能的检测制定了一些标准，如美国ASTM F 1292、和欧洲的BSEN1177等等。这些标准给出了脑部受冲击减速度的计算方法，在测试地面材料特性时设备允许跌落到地面的高度条件下，确定了判定头部受冲击伤害评判HIC的公式及最大允许值，及确定了判定头部受冲击的最大加速度g-max值。同时为了达到足够的测量精度，美国的ASTM F 1292-99标准规定了测试装置的滤波转折频率和加速度数据采样速率。

目前对运动场地安全性能的检测发明了一些专利，也开发了为数不多的产品，如美国专利US4856318(Surface Resiliency Tester)，测试功能简单，只能测试加速度峰值；美国专利US5490411(Testing Device for Surfaces Sub ject toImpact)，其结构框图如图1所示，它主要是利用一只压电三向加速度传感器测量加速度并由微处理器采样和保存，同时计算头部伤害评判(HIC)值。该专利测试功能基本符合ASTM F 1292-99标准，但是装置的采样速率和滤波转折频率低于ASTMF 1292-99标准规定的下限，影响其测量精度，并且没有可以计算每次撞击的下落高度的部件。该装置采用三向传感器能够测量冲击时三个方向的加速度，虽然它较好的模拟了实际撞击的情况，但是撞击时主要考虑的是垂直方向的加速度，测量三维加速度也使装置成本大大提高了。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而提供一种一维冲击强度测试装置，它能够精确采样并保存模拟头冲击水平材料时垂直方向的加速度，计算对应此次冲击的模拟头下落高度，并计算加速度峰值和头部伤害评判(HIC)值。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种一维冲击强度测试装置，用于测试一模拟头垂直下落对地面的冲击强度，它包括模拟头下落架、设于模拟头上的加速度传感器、以及测试主机；其中模拟头下落架包括可供模拟头垂直下落的导轨，还包括设于导轨下部的光控开关；模拟头与光控开关对应的一侧设有一可遮光隔板；测试主机包括信号放大器、滤波器、模数转换器、微处理器、计时器、非易失性存储器以及传感器电源；其中：

信号放大器、滤波器和模数转换器依次连接在加速度传感器和微处理器之间，用以对微处理器提供加速度数字信号；计时器与微处理器连接，用于测量模拟头撞击地面前所述隔板经过光控开关所用的时间；微处理器检测光控开关的输入信号，并控制计时器的计时，以及控制模数转换器进行模数转换而采样加速度数据；微处理器还计算模拟头下落高度、加速度峰值和头部伤害评判值并保存；非易失性存储器与微处理器连接用以保存数据；传感器电源与加速度传感器连接以对其供电。

上述计时过程如下，隔板顶端进入并遮挡光控开关时，光控开关发出一第一中断信号给微处理器，微处理器响应该第一中断信号使计时器开始计时；隔板尾端离开光控开关时，光控开关发出一第二中断信号给微处理器，微处理器响应该第二中断信号使计时器停止计时，与此同时微处理器启动模数转换器开始采样一预定时间后自动停止采样。

上述微处理器还在所述模数转换开始至所述模拟头开始撞击地面期间计算模数转换数据平均值并以此作为传感器失调电压，以便在以后的加速度数据中减去这一失调电压。

上述测试主机还包括一校准放大器和一个双路选择开关；双路选择开关串接在信号放大器和滤波器之间，校准放大器串接在双路选择开关的两个开关接点之间；双路选择开关接收一控制信号以使信号放大器、滤波器串联直接导通或将校准放大器串接在信号放大器和滤波器之间导通。

上述测试主机还包括与微处理器连接的时钟芯片以实现实时计时。

上述一维冲击强度测试装置还包括与微处理器连接键盘和显示器以实现必要的输入控制和数据显示。

本发明一维冲击强度测试装置由于具有较高的采样速率和滤波器转折频率，能够精确测量加速度数据和计算头部伤害评判值，并精确计算对应每次冲击的高度。该装置仅采用一维加速度传感器，大大降低了装置成本；装置可储存大量测试数据并可简便地与PC通信。

附图说明

以下结合附图说明本发明具体实施方式，其中：

图1是美国专利US5490411的结构框图；

图2是本发明一维冲击强度测试装置具体实施例的模拟头下落架结构示意图；

图3是本发明一维冲击强度测试装置具体实施例的测试主机结构框图；

图4是图3所示实施例的测量程序流程框图；

图5是图4所示实施例的高度计算示意图。

具体实施方式

本发明具体实施例的一维冲击强度测试装置包括模拟头下落架10和测试主机20。请先参阅图2，本发明一维冲击强度测试装置具体实施例的模拟头下落架10用于使一模拟头11沿着它垂直下落并冲击地面的地面材料12。模拟头11可根据不同国家和标准制作不同的尺寸，其上设有一灵敏度高、频响宽、体积小、重量轻的压阻式加速度传感器13，量程高达500g。模拟头下落架10包括导轨14。导轨14用于让模拟头11沿着它垂直于地面下落，为保证加速度测量精度，应当确保导轨14垂直于地面，这可通过简易的垂直校准装置实现。导轨14下部设有一光控开关15，相应地，模拟头11与光控开关15的对应处设有一可遮光的预设长度的隔板16。当模拟头11下落经过光控开关15时，隔板16可使光控开关15先后输出两次电信号跳变，以此作为第一中断信号1和第二中断信号2。其中第一中断信号1是开始计时信号，第二中断信号2是停止计时并开始数据采样信号。显然，光控开关15离地面的高度应当比模拟头11的垂直长度稍大，以便在模拟头11撞击前就得到第二中断信号2。

请参阅图3，测试主机20包括信号放大器21、滤波器22、微处理单元23、非易失性存储器27以及供给加速度传感器13的传感器电源24。其中信号放大器21和滤波器22依次连接在加速度传感器13和微处理单元23之间，用于将加速度传感器13测量的信号放大并滤波后传输给微处理单元23采样。为保证测量精度，滤波器22应当具有较高的转折频率，本实施例采用四极点有源低通滤波器，其转折频率为1650Hz，符合美国ASTM F 1292-99标准。

微处理单元23包括模数转换器231、计时器232和微处理器233。在一个实施例中，微处理单元23可以是集成了模数转换器231和计时器232的单片机或其他处理芯片，在另一个实施例中，微处理单元23可由单片机或其他处理芯片(其内部一般有计时器)与模数转换器连接构成，这不应作为本发明的限制。

模数转换器231与滤波器22的输出端连接，以一定的采样速率将加速度模拟信号转换为数字信号，本实施例的采样速率为20,000Sa/s，符合美国ASTMF 1292-99标准。为了减少导轨14对模拟头11的摩擦引进的误差，计时器232记录隔板16通过光控开关15的时间，由于隔板16的长度已知，由此可计算出模拟头在一个重力加速度下(不受导轨摩擦)的等效下落高度(该高度小于模拟头的实际下落高度)，高度计算将在以下说明。

微处理单元23响应第一中断信号1使计时器232开始计时，之后响应第二中断信号2使计时器232停止计时，同时启动模数转换器231开始采样加速度数据；微处理单元23根据计时器232的计时数值和隔板16的长度计算模拟头11的下落高度并保存；微处理单元23根据加速度数据计算HIC(头部伤害评判值)并保存加速度数据和HIC。非易失性存储器27与微处理单元23连接用以保存上述这些数据。

由于加速度传感器受到环境的影响可能会存在测量误差，因此每次测试之前应作一次校准。测试主机20还包括一校准放大器28和一双路选择开关29，双路选择开关29串接在信号放大器21和滤波器22之间，校准放大器28串接在双路选择开关29的两个开关接点之间；双路选择开关29接收一控制信号以使21信号放大器、滤波器22串联直接经由导线31导通或将校准放大器28串接在信号放大器21和滤波器22之间导通。双路选择开关29可以由模拟开关或继电器构成。校准时只要给出控制信号3即可实现校准。

测试主机20还包括与微处理单元23连接的显示器32和键盘33以实现输入操作和数据显示。键盘33上可设有一校准按键以操作上述校准。微处理单元23还包括RS232接口234以和其他设备通信，RS232接口234可经由一RS232到USB转接口实现本发明的测试主机20与PC连接。PC可经由该RS232接口234与微处理单元23通信，以读取非易失性存储器27中的数据

测试主机20还包括一时钟芯片34，以便为微处理单元23提供实时时间，微处理单元23据此记录每次测试的时间并与测试数据一起保存。

以下结合图4说明本发明一维冲击强度测试装置的工作流程：

测试主机20经过测量初始化步骤S1后，模拟头11沿导轨14下落快接触到地面，期间模拟头11的隔板16就会穿过安装在导轨14下部的光控开关15。当隔板16顶端进入光控开光15时，就会产生一个低电平信号，该电平经过一个比较器对该信号进行整形对单片机产生第一中断信号1，此中断使测试主机20进入计时步骤S2。在此步骤中，微处理单元启动计时器232进行计时，当模拟头11的隔板16尾端离开光控开关15时，就产生一个高电平信号，通过比较器对该信号的整形也会对单片机产生一第二中断信号2，该中断信号就会终止计时器232工作。从而单片机根据计时器232的值，在步骤S5中计算当前的模拟头的等效下落高度。以下是计算方法：

设模拟头11从离光控开关15高度H_t下落，由能量守恒得：

${\mathrm{mgH}}_t=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$

其中v是隔板16通过光控开关15时的平均速度。设计时器时间为t，则隔板16通过光控开关15时的平均速度为：

$v=\frac{l}{t}$

其中l是隔板16的长度。

模拟头11下落到光控开关15的等效高度为：

$H_t=\frac{l^2}{{2\mathrm{gt}}^2}$

设光控开关离地面的高度是H_os，最终模拟头11下落的等效高度是：

H＝H_t+H_os

$H=\frac{l^2}{{2\mathrm{gt}}^2}+H_{\mathrm{os}}$

模拟头11上的隔板通过光控开关后产生的第二中断信号2不但会终止计数器232的计数，同时还会启动模数转换器231的运行，测试主机20进入模数转换步骤S3，并且该模拟头11经过一很短的时间撞击到地面材料12。当模拟头11冲击到地面时，材料12就会对模拟头11产生反作用力，该反作用力就会传到加速度传感器13上，加速度传感器13产生一系列随时间变化的加速度。微处理器233采样并保存这些加速度数据，并在采样一定时间，例如50ms(撞击过程一般为几毫秒)后自动停止采样。在以后的步骤S5中微处理单元计算最大加速度值和根据标准规定的头部伤害评判(HIC)公式计算本次冲击的头部伤害评判值。该公式如下：

$\mathrm{HIC}={\left[(t_2-t_1){\{\frac{1}{t_2-t_1}{\∫}_{t1}^{t2}a.\mathrm{dt}\}}^{25}\right]}_{\max }$

其中t₁是冲击开始的时刻，t₂是冲击结束的时刻，a是冲击过程中的加速度，它是随时间变化的。

在测量过程中，由于环境温度的变化，在加速度传感器13的输出就会产生不同的失调电压输出。本装置能够根据不同的电压输出进行自动消除，以避免由于温度的变化要不断的进行人为的输出失调电压调整。由于光控开关15离地面的距离比模拟头垂直长度大，因此模拟头11通过光控开关15后，要经过很小的一段距离才会接触到地面，与地面材料12发生碰撞，而此时模数转换器231已经开始工作，因此测试主机进入失调电压计算步骤S4，利用此段时间记录模数转换的数据取平均值作为本次测试的传感器失调电压输出，此时模数转换和数据采样仍在继续。在计算头部伤害评判值(HIC)时将采样的加速度数据减去失调电压以消除失调电压的影响。

Claims (9)

1.一种一维冲击强度测试装置，用于测试一模拟头垂直下落对地面的冲击强度，它包括模拟头下落架、设于模拟头上的加速度传感器、以及测试主机；其特征在于：

所述模拟头下落架包括可供模拟头垂直下落的导轨，还包括设于导轨下部的光控开关；所述模拟头顶部与所述光控开关对应的一侧设有一可遮光隔板；

所述测试主机包括信号放大器、滤波器、模数转换器、微处理器、计时器、非易失性存储器以及传感器电源；其中：

所述信号放大器、滤波器和模数转换器依次连接在所述加速度传感器和所述微处理器之间，用以对微处理器提供加速度数字信号；

所述计时器与所述微处理器连接，用于测量模拟头撞击地面前所述隔板经过光控开关所用的时间；

所述微处理器检测所述光控开关的输入信号，并控制所述计时器的计时，以及控制所述模数转换器进行模数转换而采样加速度数据；微处理器还计算模拟头下落高度、加速度峰值和头部伤害评判值并保存；

所述非易失性存储器与所述微处理器连接，用以保存数据；

所述传感器电源与所述加速度传感器连接，以对其供电。

2.如权利要求1所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述隔板的顶端进入并遮挡所述光控开关时，所述光控开关发出一第一中断信号给所述微处理器；所述隔板的尾端离开所述光控开关时，所述光控开关发出一第二中断信号给所述微处理器。

3.如权利要求2所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述微处理器响应所述第一中断信号使所述计时器开始计时，响应所述第二中断信号使所述计时器停止计时并启动所述模数转换器开始采样。

4.如权利要求1所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述滤波器是多极点低通滤波器。

5.如权利要求1所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述微处理器在所述模数转换开始至所述模拟头开始撞击地面期间计算模数转换数据平均值并以此作为传感器失调电压。

6.如权利要求1所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述测试主机还包括一校准放大器和一个双路选择开关；所述双路选择开关接收一控制信号以使所述信号放大器、滤波器串联直接导通或将所述校准放大器串接在信号放大器和滤波器之间导通。

7.如权利要求6所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述测试主机的面板上还包括设有一与所述微处理器连接、并控制所述双路选择开关选择上述导通状态的校准按键。

8.如权利要求1所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，所述测试主机还包括一与所述微处理器连接的时钟芯片。

9.如权利要求1所述的一维冲击强度测试装置，其特征在于，还包括一与所述微处理器连接的显示器。

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