CN101828794B - 一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，包括鞋垫，信号调理单元，数据采集单元和信号显示单元，所述的鞋垫中嵌入感芯结构薄膜传感器单元；所述的感芯结构薄膜传感器单元由至少两层聚偏氟乙烯薄膜上下叠加而成，且在其与鞋垫接触面之间嵌入硬质合成材料薄膜；所述的鞋垫中的感芯结构薄膜传感器单元与依次串联的信号调理单元、数据采集单元和信号显示单元相连。本发明采用多层感芯结构和间隔材料膜的设计，提高了PVDF压电薄膜传感器的信噪比，改善了测试鞋垫对动态信号相应的滞后性；本发明可以放入日常穿着的各种鞋类中进行测试，可为人体步态的生物力学分析以及鞋类舒适性评价提供依据。

Description

一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫

技术领域

本发明属压力分布测量系统领域，特别是涉及一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫。

背景技术

足底压力分布特征是揭示人体步态规律的重要指标之一，足底压力分布测量在生物力学、康复医学、矫形外科、体育训练、制鞋业等领域有着重要的指导意义。目前临床使用的压力测试板和测试台技术存在极大的空间局限性，不具备可穿戴性。因此，开发具有可穿戴的压力鞋或压力鞋垫成为该技术领域的重要工作。研制成功的主要产品有：美国TEKSCAN公司的

Mobile鞋垫系统，采用TEKSCAN专利传感器，可以提供步态的压力分析、平衡分析及角度测量；德国NOVEL公司的Pedar鞋垫压力系统，采用电容式传感器，可以测量动态足底压力的变化情况；比利时RSSCAN公司的鞋内压力测试仪，采用压阻式传感器，可对鞋内压力进行测试。这些产品的关键技术均没有公开。中国专利公开了部分技术，如王辉林等的发明专利《鞋垫式足底压力测量装置》，公开号CN201267478。该技术采用压电陶瓷元件作为信号采集模块，可提供足底三维压力测量。由于压电陶瓷元件刚性大，嵌入鞋垫中势必影响鞋垫的柔软性和穿着舒适性，且测试系统仅限于专用鞋或裸足使用，测试存在着局限性。除此之外，《中国生物医学工程学报》2000年第19卷第1期发表的韦启航等的论文《人体步态分析系统一足底压力测量系统的研制》，介绍了一种足底压力测试系统，核心传感元件为压敏电阻阵列传感器，整体系统包括测试鞋和专用测试软件，可采集人体步行时的足底压力。《压电与声光》2008年第30卷第4期发表的舒方法等的论文《PVDF压电薄膜在足底压力测量中的应用》，介绍了采用压电薄膜制作传感阵列用于足底压力测量的可能性。但是，该文未介绍具体的结构设计，也未形成实用的测试系统。而且，由于嵌入鞋垫中使用的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜感芯单元面积不能过大，不可避免地将导致所产生的信号弱、信噪比低；另外，嵌入鞋垫中的PVDF压电薄膜在对柔性材料压力信号的测试中存在着信号的滞后性，但该文并未对上述问题提出可行的改善措施。

作为测试足底压力的鞋垫，其传感器单元与人体足部接触。为保证人体在测试过程中自然、舒适的状态，传感器单元必须轻薄和柔软。另外，为了准确地反映足底指定位置的压力分布，传感器单元的表面积不能过大。但是，可穿戴的柔性传感器单元由于自身材料和结构的限制，在测试柔性材料所受到的动态压力(如：足底和鞋垫间的压力)时，将带来信噪比低、对信号响应滞后等问题，影响系统对压力信号响应的稳定性和测试的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，克服PVDF压电薄膜传感器作为感芯结构所产生的上述问题，嵌入多层感芯结构薄膜传感器单元的鞋垫可用于人体步行、跑步、跳跃等任意频率的动态测试，且可以与日常穿着的鞋类结合，方便使用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，包括鞋垫、信号调理单元、数据采集单元和信号显示单元，所述的鞋垫中嵌入感芯结构薄膜传感器单元；所述的感芯结构薄膜传感器单元由至少两层PVDF压电薄膜上下叠加而成；所述的感芯结构薄膜传感器单元与鞋垫接触面之间有一层硬质合成材料薄膜；所述的感芯结构薄膜传感器单元与依次串联的信号调理单元、数据采集单元和信号显示单元相连。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的感芯结构薄膜传感单元将采集到的足底压力信号转换为电荷信号传输给信号调理单元；所述的信号调理单元将收到的电荷信号转换为电压信号传输给数据采集单元；所述的数据采集单元将收到的电压信号传输给信号显示单元。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的信号调理单元由积分放大电路和低通滤波电路串联而成，信号先进入所述的积分放大电路再进入所述的低通滤波电路。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的多层感芯结构薄膜传感器单元分布在所述的鞋垫上部左侧、上部右侧、中部左侧、中部右侧、下部左侧和下部右侧。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的硬质合成材料薄膜为硬质PVC膜、硬质PE膜或硬质PET膜。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)单个传感单元的有效面积较小，可以提高测试足底压力分布的分辨率。所采用的多层PVDF压电薄膜感芯结构，实现了在不改变传感单元表面积的情况下提高输出信号的强度。

(2)在多层感芯结构薄膜传感器单元的PVDF压电薄膜与衬底鞋垫间嵌入硬质的合成材料薄膜作为间隔材料，以阻隔动态频率响应差的鞋垫材料对压电薄膜信号产生的影响，降低因柔性鞋垫材料的弹性蠕变所带来的信号滞后性。

(3)传感器后续调理电路由积分放大电路与低通滤波电路构成。该电路所需元件少、体积和质量较小，且积分放大效果可通过电路元件进行调节。主要元件包括积分放大器OP07，反馈电容C和反馈电阻R，测试电压范围0～10V，电路测试的下限截止频率约0.16Hz。在积分放大电路后加入的低通滤波电路，避免了测试中高频噪声信号的影响。

综上所述，本发明采用多层感芯结构和间隔材料膜的设计，提高了PVDF压电薄膜传感器的信噪比，改善了足底压力测试系统对动态信号响应的滞后性。本系统测试频率宽，适应于人体不同步频运动状态下的足底压力分布的测试。与此同时本发明可穿戴性好，鞋垫柔软、可弯曲，且材料轻、薄，人体穿着舒适。本发明不仅可绑于足底进行裸足压力测试，也可以放入日常穿着的各种鞋类中进行测试，可为人体步态的生物力学分析以及鞋类舒适性评价提供依据。

附图说明

图1足底压力分布测试鞋垫系统示意图，

图中，1鞋垫，2信号调理单元，3数据采集单元，4信号显示单元，5感芯结构薄膜传感器单元；

图2是信号调理单元电路图；

图3是传感点足底(右脚)分布示意图，

图中，6为第一跖骨，7为第二跖骨，8为足中内侧，9为足中外侧，10为足跟内侧，足跟外侧；

图4是嵌入多层感芯结构薄膜传感器的传感鞋垫示意图；

图5是系统对1.5Hz动态信号的响应图；

最大压力F＝50N，频率f＝1.5Hz；

图6是系统对5.0Hz频率动态信号的响应图；

最大压力F＝200N，频率f＝5.0Hz；

图7是人体行走时足底动态压力分布实测波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，如图1所示，包括鞋垫1、信号调理单元2、数据采集单元3和信号显示单元4，所述的鞋垫1中嵌入感芯结构薄膜传感器单元5；所述的感芯结构薄膜传感器单元5由至少两层PVDF压电薄膜上下叠加而成；所述的感芯结构薄膜传感器单元5与所述的鞋垫1接触面之间有一层硬质合成材料薄膜；所述的感芯结构薄膜传感器单元5与依次串联的信号调理单元2、数据采集单元3和信号显示单元4相连。所述的感芯结构薄膜传感器单元5将采集到的足底压力信号转换为电荷信号传输给信号调理单元2；所述的信号调理单元2将收到的电荷信号转换为电压信号传输给数据采集单元3；所述的数据采集单元3将收到的电压信号传输给信号显示单元4。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的信号调理单元2由积分放大电路和低通滤波电路串联而成，信号先通过积分放大电路再通过低通滤波电路。如图2所示，所述的积分电路所需元件少、体积和质量较小，且积分放大效果可通过电路元件进行调节。主要元件包括积分放大器OP07，反馈电容C和反馈电阻R，测试电压范围0～10V，电路测试的下限截止频率约0.16Hz。在积分放大电路后加入的低通滤波电路，避免了测试中高频噪声信号的影响。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的多层感芯结构薄膜传感器单元5分布在所述的鞋垫1上部左侧、上部右侧、中部左侧、中部右侧、下部左侧和下部右侧。如图3所示，以右脚为例，鞋垫1上部左侧对应于第一跖骨6，上部右侧对应于第二跖骨7，中部左侧对应于足中内侧8，中部右侧对应于足中外侧9，下部左侧对应于足跟内侧10，下部右侧对应于足跟外侧11。由于多层PVDF压电薄膜组成的感芯结构薄膜传感器单元分布于鞋垫各个位置，对应于足底的各个相应位置，可实时地给出PVDF压电薄膜处的足底压力信号。

所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫的硬质合成材料薄膜为硬质PVC膜、硬质PE膜或硬质PET膜

本发明的核心为具有测试动态足底压力分布的传感鞋垫，如图4所示，它由至少两层PVDF压电薄膜上下叠加而成，组成多层感芯结构薄膜传感器单元，嵌入到鞋垫中的若干个位置上。在感芯结构薄膜传感器单元和鞋垫接触面之间嵌入硬质合成材料薄膜，避免了感芯结构薄膜传感器单元对动态信号响应的滞后性。当压力施加于PVDF压电薄膜表面时，每一层的PVDF压电薄膜同时将压力信号转换为电荷信号输出。

下面结合实施例进一步来说明本发明。

实施例1

采用3层PVDF压电薄膜组成的感芯结构薄膜传感器单元，在薄膜和鞋垫间嵌入硬质PVC膜。在低频、低压力作用力下，即模拟人体缓慢行走的状态，此时测试系统对较小频率和压力的动态信号的响应。

测试样品：嵌入PVDF压电薄膜组成的感芯结构薄膜传感器单元的鞋垫，单一传感单元。

测试仪器：MTS动态拉伸仪，配置模拟人体足底材料的接触压脚。

测试条件：信号频率为1.5Hz，施加压力为50N。

测试结果：如图5所示。在低频、低压力作用下，系统输出信号波形稳定。由于采用了3层PVDF压电薄膜，传感器在较弱压力作用下仍表现出较强的频率响应，信号峰值达到80mV，信噪比大于25dB，有效电压峰值特征显著。表明系统在足底较低压力部位仍能采集到可识别的有效信号。

实施例2

采用2层PVDF压电薄膜组成的感芯结构薄膜传感器单元，在薄膜和鞋垫间嵌入硬质PE膜。在高频、高压力作用下，即模拟人体足部高速运动，此时测试系统对足底动态信号的采集的频率响应。

测试样品：嵌入PVDF压电薄膜组成的感芯结构薄膜传感器单元的鞋垫，单一传感单元。

测试仪器：MTS动态拉伸仪，配置模拟人体足底材料的接触压脚。

测试条件：信号频率为5.0Hz，施加压力为200N。

测试结果：如图6所示。在高频、高压力作用下，系统输出信号波形稳定，频率响应特征显著，信号变异系数在5.0％以下，且滞后性得到改善。表明系统对较高频率足底压力信号响应的稳定性，嵌入2层感芯结构PVDF压电薄膜传感器单元的鞋垫适合于测试人体在任意步频下的足底压力分布。

实施例3

系统在正常穿着条件下的足底压力分布测试，通过鞋垫多个传感单元所采集到的压力信号可对人体步行时的足底压力分布进行描述。

测试样品：嵌入6枚具有5层PVDF压电薄膜组成的感芯结构薄膜传感器单元的鞋垫，在每枚薄膜传感器单元和鞋垫间嵌入硬质PET膜。

测试条件：测试在室内进行，嵌入5层感芯结构PVDF压电薄膜传感器的鞋垫放置在平底运动鞋中穿着，信号调理单元固定于测试者腿部，步频约2.0Hz。

测试结果：如图7所示。在正常穿着条件下，系统工作稳定，所获得的信号响应频率与实际步频吻合，足底各点信号特征显著，所得到的动态足底压力分布形态具有代表性。通过记录同一个体正常步行、相同步频下的多组足底压力信号，对最大足底压力峰值进行统计，可得到系统的测量精度，即相对百分误差达2.3％，满足足底压力分布测量产品的技术要求。

不难发现，本发明采用多层感芯结构和间隔材料膜的设计，提高了PVDF压电薄膜传感器的信噪比，改善了足底压力测试系统对动态信号响应的滞后性。本系统测试频率宽，适应于人体不同步频运动状态下的足底压力分布的测试。与此同时本发明可穿戴性好，鞋垫柔软、可弯曲，且材料轻、薄，人体穿着舒适。本发明不仅可绑于足底进行裸足压力测试，也可以放入日常穿着的各种鞋类中进行测试，可为人体步态的生物力学分析以及鞋类舒适性评价提供依据。

Claims (5)

1.一种具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，包括鞋垫(1)、信号调理单元(2)、数据采集单元(3)和信号显示单元(4)，其特征是：所述的鞋垫(1)中嵌入感芯结构薄膜传感器单元(5)；所述的感芯结构薄膜传感器单元(5)由至少两层聚偏氟乙烯薄膜上下叠加而成；所述的感芯结构薄膜传感器单元(5)与所述的鞋垫(1)接触面之间有一层硬质合成材料薄膜；所述的感芯结构薄膜传感器单元(5)与依次串联的信号调理单元(2)、数据采集单元(3)和信号显示单元(4)相连。

2.根据权利要求1所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，其特征是：所述的感芯结构薄膜传感器单元(5)将采集到的足底压力信号转换为电荷信号传输给信号调理单元(2)；所述的信号调理单元(2)将收到的电荷信号转换为电压信号传输给数据采集单元(3)；所述的数据采集单元(3)将收到的电压信号传输给信号显示单元(4)。

3.根据权利要求1或2所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，其特征是：所述的信号调理单元(2)由积分放大电路和低通滤波电路串联而成，电荷信号先进入所述的积分放大电路再进入所述的低通滤波电路。

4.根据权利要求1所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，其特征是：所述的多层感芯结构薄膜传感器单元(5)分布在所述的鞋垫(1)上部左侧、上部右侧、中部左侧、中部右侧、下部左侧和下部右侧。

5.根据权利要求1所述的具有多层感芯结构的动态足底压力测试鞋垫，其特征是：所述的硬质合成材料薄膜为硬质PVC膜、硬质PE膜或硬质PET膜。

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