CN101201279A - 一种压力分布测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是提供一种压力分布测量装置及其测量方法，压力分布测试装置由柔性阵列传感器(1)、嵌入式信号驱动采集单元(2)和计算机分析处理软件(3)组成。嵌入式信号驱动采集单元(2)具有阵列的行列扫描驱动和阵列点的压力信号采集功能，通过USB2.0接口与计算机连接；计算机分析处理软及包括通信接口模块、数据存取模块、数据分析模块、档案管理模块以及打印驱动模块。计算机通过采集力传感器输出的力信息，通过分析软件获得作用力信息、作用力的分布信息、压力中心、以及功率谱信息等。为体育科研、体育训练指导、医疗科研、残体康复训练指导等提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及传感器应用技术领域，属于体育科研、生物力学工程、医疗康复领域、工业测量的一种测量仪器及测量手段，特别是涉及步态分析、工业测量方面的一种压力分布测量装置及其测量方法。
背景技术
在体育科研、生物力学工程和医疗康复领域内，经常需要准确知道人体行走或运动时，人体足底与地面间的作用力、足底与店面的接触状况，足底的所受压力的分布情况，以期获得体育科研、体育训练指导、医疗科研、残体康复训练指导的科学依据。压力分布测量装置正是基于这种需求上开发的一种测量仪器。目前，按使用的传感器类型，压力分布测量装置可分为压力印迹、电阻式、电容式、霍尔效应式等。目前常用的以电阻式和电容式为主。电容式压力分布测量装置如XSENSOR公司的的垫面状电容式压力传感器、德国Novel公司的电容式压力分布测试系统，优点是，柔软，耐用，精度较高；缺点是，较厚，这样会影响所要测量的表面压力值的准确性。电阻式压力分布系统以美国Tekscan为代表，类似产品有，美国SPI，比利时RSscan，日本Fuji等公司生产的压力分布测试系统。其中RSscan为电阻应变桥联原理，硬质基底，使用场合受限，而且其传感器的寿命较短，无论使用与否，每半年到一年需更换一次传感器，但其在软件数据库功能上非常有特色；Fuji膜为一次性化学成像扫描原理，精度不到10％，单次测试成本300-500元，适用于一次性测量。
发明内容
本发明是提供一种压力分布测量装置及其测量方法，计算机通过采集力传感器输出的力信息，通过分析软件获得作用力信息、作用力的分布信息、压力中心、以及功率谱信息等。为体育科研、体育训练指导、医疗科研、残体康复训练指导等提供科学依据。
本发明的技术方案是：
一种压力分布测量装置，其特征在于：包括由柔性阵列传感器(1)、嵌入式信号驱动采集单元(2)和计算机(3)，嵌入式信号驱动采集单元(2)驱动并采集柔性阵列传感器(1)上各阵列点感应的压力信号通过模数转换传输到计算机(3)。
一种压力分布测量装置，其特征是所说的柔性阵列传感器(1)由二层对合的聚酯薄膜基材(1-1)组成，每层聚酯薄膜基材(1-1)上均印有压力传感器电路阵列，压力传感器电路上的电阻采用压力敏感浆料(1-2)，电路上的导线采用银浆导体(1-3)；同一聚酯薄膜基材(1-1)上的压力传感器电路阵列采用阵列式连接；二层对合的聚酯薄膜基材(1-1)上的压力敏感浆料(1-2)相互一一对合；所述的传感器阵列的信号引出线接入嵌入式信号驱动采集单元(2)。
所说的柔性阵列传感器(1)阵列密度为1cm*1cm、或0.5cm*0.5cm。
所说的柔性阵列传感器(1)阵列单元大小为20行*40列或20列*40行。
所说的柔性阵列传感器(1)阵列单元外形为方形、矩形、圆形或鞋垫形。
所说嵌入式信号驱动采集单元(2)具有阵列的行列扫描驱动和阵列点的压力信号采集模块。
一种压力分布测量方法，包括接受柔性阵列传感器(1)的模拟量信息和嵌入式信号驱动采集单元(2)输出的数字量信息，最后使用计算机分析处理软件(3)对结果进行分析处理，其特征在于：
压力分布测量装置工作后，所述的柔性阵列传感器(1)开始采集压力模拟量信息；
所述的嵌入式信号驱动采集单元(2)，采用高速矩阵切换电路、现场总线体系结构、精确系统授时与数据同步方法设计，高速采集，通道采样频率250Hz；采用三种方式进行数据传输和保存到计算机：有线，无线，内置存储器；
所述的计算机分析处理软件(3)完成多路传感器信息的实时采集、显示、存储，并实现常规文件处理、接触图像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、基于时序的步态参数、总压力中心轨迹、分压力中心轨迹、基本功率谱分析的计算分析功能。
所说的压力分布测量装置或与高速运动分析仪、数字闪频仪、高速摄像机配合使用，在获得被测物体压力分布数据的同时，获得被测物体的运动轨迹。
柔性阵列传感器(1)：采用丝网印刷工艺和复合压制成型工艺生产，有印迹传感器阵列、柔性力传感器阵列和柔性压力传感器阵列三类，阵列密度最高可达4点/cm2，基本面积为1M*1.2M，可裁剪成各种形状的传感器(如鞋垫)，也可以组合成很大的面积(跑道、实验室、场馆)。
嵌入式信号驱动采集单元(2)：采用高速矩阵切换电路、现场总线体系结构、精确系统授时与数据同步方法设计，高速采集，通道采样频率250Hz；可采用三种方式进行数据传输和保存到计算机：有线，无线，内置存储器；嵌入式信号驱动采集单元(2)具有阵列的行列扫描驱动和阵列点的压力信号采集功能，通过USB2.0接口与计算机连接；计算机分析处理软及包括通信接口模块、数据存取模块、数据分析模块、档案管理模块以及打印驱动模块。
计算机分析处理软件(3)：计算机分析处理软件包括测试分析软件和专家系统平台两部分。测试分析软件完成多路传感器信息的实时采集、显示、存储，并实现常规文件处理、接触图像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、基于时序的步态参数、总压力中心轨迹、分压力中心轨迹、基本功率谱分析等计算分析功能。训练专家系统平台完成基于具体运动项目的训练模型的构建、步态特征的分析与参数定义、特征参数的提取、基于实时测试数据的及时反馈和训练指导等功能，本发明可测量包括步某一局部受力单元的压力、最大压力、压力中心和压力分布等参数值。
附图说明
图1是本发明系统结构图。
图2是柔性阵列传感器结构图。
图3是信号采集测量原理图。
图4嵌入式驱动信号采集单元原理图。
具体实施方式
参见图1-4。图1中阵列传感器是将敏感材料按矩阵状印刷到两个绝缘基材(聚酯薄膜)上，其中，1块按行状连接，即：在20cm边连成20行引出；另1块按列状连接，即连成40列，在20cm边分成2个20线引出。由扫描驱动原理的分析可知，为了尽可能接近理想状态，二选一列切换开关的导通电阻必须尽可能小，选用ADG719。该芯片标称最大导通电阻：4Ω@5V/10Ω@3V，200M-3Db带宽。多选一的行切换开关选用ADG708，标称典型导通电阻：3Ω@5V/8Ω@3V，55M-3Db带宽。
柔性阵列传感器(1)由二层对合的聚酯薄膜基材(1-1)组成，每层聚酯薄膜基材(1-1)上均印有压力传感器电路阵列，压力传感器电路上的电阻采用压力敏感浆料(1-2)，电路上的导线采用银浆导体(1-3)；同一聚酯薄膜基材(1-1)上的压力传感器电路阵列采用阵列式连接；二层对合的聚酯薄膜基材(1-1)上的压力敏感浆料(1-2)相互一一对合；所述的传感器阵列的信号引出线接入嵌入式信号驱动采集单元(2)。
图2本设计扫描驱动部分采用5V供电，以增大信号输出，同时，降低模拟开关的导通电阻。信号输出部分采用OP196缓冲，以便延长输出信号的传输距离。为了减少本子系统到信号采集子系统的连线数目，行列驱动部分均采用串并装换芯片实现；本部分的输入线共8个：正电源、地线、行驱动数据线、行驱动时钟线、行驱动复位线、列驱动数据线、列驱动时钟线、列驱动复位线；输出线：1个，信号输出。
图3单片机定时给出行列驱动信号，同时，控制AD转换器采集阵列传感器输出，存入IDT7206中，当IDT7206中数据存满后，由CY7C68013的GPIF接口控制读取，发送到计算机。在这里，AD芯片8位足够，考虑到在测力平台、传感器的信号采集上始终外购采集卡，给安装调试等带来一些不便，拟通过这次的设计做到信号采集的通用性，故采用12/16bit的AD转换器。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的压力分布测量装置及其测量方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种压力分布测量装置，其特征在于：包括由柔性阵列传感器(1)、嵌入式信号驱动采集单元(2)和计算机(3)，嵌入式信号驱动采集单元(2)驱动并采集柔性阵列传感器(1)上各阵列点感应的压力信号通过模数转换传输到计算机(3)。
2.根据权利要求1所述的一种压力分布测量装置，其特征是所说的柔性阵列传感器(1)由二层对合的聚酯薄膜基材(1-1)组成，每层聚酯薄膜基材(1-1)上均印有压力传感器电路阵列，压力传感器电路上的电阻采用压力敏感浆料(1-2)，电路上的导线采用银浆导体(1-3)；同一聚酯薄膜基材(1-1)上的压力传感器电路阵列采用阵列式连接；二层对合的聚酯薄膜基材(1-1)上的压力敏感浆料(1-2)相互一一对合；所述的传感器阵列的信号引出线接入嵌入式信号驱动采集单元(2)。
3.根据权利要求1所述的一种压力分布测量装置，其特征是所说的柔性阵列传感器(1)阵列密度为1cm*1cm、或0.5cm*0.5cm。
4.根据权利要求1所述的一种压力分布测量装置，其特征是所说的柔性阵列传感器(1)阵列单元大小为20行*40列或20列*40行。
5.根据权利要求1所述的一种压力分布测量装置，其特征是所说的柔性阵列传感器(1)阵列单元外形为方形、矩形、圆形或鞋垫形。
6.根据权利要求1所述的一种压力分布测量装置，其特征是所说嵌入式信号驱动采集单元(2)具有阵列的行列扫描驱动和阵列点的压力信号采集模块。
7.一种压力分布测量方法，包括接受柔性阵列传感器(1)的模拟量信息和嵌入式信号驱动采集单元(2)输出的数字量信息，最后使用计算机分析处理软件(3)对结果进行分析处理，其特征在于：
压力分布测量装置工作后，所述的柔性阵列传感器(1)开始采集压力模拟量信息；
所述的嵌入式信号驱动采集单元(2)，采用高速矩阵切换电路、现场总线体系结构、精确系统授时与数据同步方法设计，高速采集，通道采样频率250Hz；采用三种方式进行数据传输和保存到计算机：有线，无线，内置存储器；
所述的计算机分析处理软件(3)完成多路传感器信息的实时采集、显示、存储，并实现常规文件处理、接触图像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、基于时序的步态参数、总压力中心轨迹、分压力中心轨迹、基本功率谱分析的计算分析功能。
8.根据权利要求11所述的一种压力分布的测量方法，其特征是所说的压力分布测量装置或与高速运动分析仪、数字闪频仪、高速摄像机配合使用，在获得被测物体压力分布数据的同时，获得被测物体的运动轨迹。
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