CN101936790B - 一种脚底压力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种脚底压力测量装置，包括鞋底，在鞋底三个生理负重点处布置有脚底压力传感器，在鞋底配置有引线槽，脚底压力传感器的电源接口之间通过位于线槽的电线连接，脚底压力传感器的信号输出和计算机相连，脚底压力传感器的电源线和电源相连，接通电源后，人的脚底直接与脚底压力传感器接触，金属弹性体产生弹性变形并且传递到配置在其上的硅微压阻式力敏芯片上，硅微压阻式力敏芯片组成惠斯通电桥的压敏电阻值发生改变，电桥失去平衡，输出一个与所加脚底压力相对应的电压信号，将每一个脚底压力传感器输出的电压送入计算机进行数据处理之后得到脚底压力的测量结果，本发明具有结构简单，测量精度高，性能可靠的优点。

Description

一种脚底压力测量装置

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种脚底压力测量装置。

背景技术

脚底压力作为一项重要的生理参数在人体步态分析、相关足疾诊断、下肢康复医疗和鞋的设计制造中起着重要的作用。脚底压力测量技术经历了从足印技术到脚底压力扫描技术和测力台技术再到压力鞋和鞋垫的发展阶段。其中压力鞋和鞋垫是指将传感器装置集成在鞋或鞋垫中，使得鞋或鞋垫具有压力测量功能。因为该压力测量形式具有能够实时测量连续的步态压力分布的特点，并且不会影响人的自然步态，所以其代表了脚底压力测量发展的趋势。

脚底压力传感器作为压力鞋和鞋垫的核心器件，对于其性能具有决定性的影响。脚底力测量要求传感器具有较高的灵敏度和健壮性以保证能够准确地完成脚底力的实时测量，并且具有高的可靠性以保证具有足够的使用寿命。同时要保证传感器具有较小的尺寸和质量，以方便其安装和使用，确保在使用过程中不会影响到正常行走的步态。虽然目前已有各种类型的传感器用于脚底压力测量，但是由于其受到测量精度和可靠性等方面因素的影响，因此在很多应用场合的应用受到了不同程度的限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种脚底压力测量装置，具有结构简单，测量精度高，性能可靠的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种脚底压力测量装置，包括鞋底1，在鞋底1的足跟处至少布置一个或一个以上的第一脚底压力传感器2，在第一跖骨头处至少布置一个或一个以上的第二脚底压力传感器11，在第五跖骨头处至少布置一个或一个以上的第三脚底压力传感器10，在鞋底1的中间配置有引线槽3，第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的电源接口端之间通过位于引线槽3的电线4连接，第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的信号输出端分别和计算机A相连，第一脚底压力传感器2的电源线和电源B相连。

所述的第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的结构相同，均包括金属弹性体5，在金属弹性体5的顶部下表面上配置有硅微压阻式力敏芯片6和转接焊盘7，硅微压阻式力敏芯片6上布置的四个力敏电阻条通过金丝导线由转接焊盘7连接成惠斯登电桥，导线孔8配置在金属弹性体5的侧壁底部，盖板9位于金属弹性体5的下部，并和金属弹性体5的侧壁相接。

所述的金属弹性体5采用具有硬中心的平膜片的结构形式。

所述的硅微压阻式力敏芯片6是采用SOI技术根据硅材料的压阻效应制作的半导体敏感元件。

本发明的工作原理为：

接通电源B后，人的脚底直接与脚底压力传感器2的金属弹性体5接触，在人体重力作用下金属弹性体5产生弹性变形并且传递到配置在金属弹性体5上的硅微压阻式力敏芯片6上，硅微压阻式力敏芯片6在该弹性变形导致的应力作用下组成惠斯通电桥的压敏电阻值发生改变，电桥失去平衡，输出一个与所加脚底压力相对应的电压信号，将每一个脚底压力传感器2的输出的电压送入计算机A进行数据处理之后得到脚底压力的测量结果。

由于本发明的脚底压力传感器2采用硅微压阻式力敏芯片6作为脚底压力传感器的敏感元件，该敏感元件不仅体积小，重量轻，而且响应频率高，灵敏度高，故而具有结构简单，测量精度高，性能可靠的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明脚底力传感器2的截面示意图。

图3为本发明硅微压阻式力敏芯片6与转接焊盘7的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构原理与工作原理作详细说明。

参见图1，一种脚底压力测量装置，包括鞋底1，在鞋底1的足跟处至少布置一个或一个以上的第一脚底压力传感器2，在第一跖骨头处至少布置一个或一个以上的第二脚底压力传感器11，在第五跖骨头处至少布置一个或一个以上的第三脚底压力传感器10，在鞋底1的中间配置有引线槽3，增加传感器个数可以使得脚底压力分布的测量结果更加精确，第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的电源接口端之间通过位于引线槽3的电线4连接，第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的信号输出端分别和计算机A相连，第一脚底压力传感器2的电源线和电源B相连。

参见图2和图3，所述的第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的结构相同，均包括金属弹性体5，金属弹性体5直接与人脚底接触并产生相应的弹性变形，在金属弹性体5的顶部下表面上配置有硅微压阻式力敏芯片6和转接焊盘7，硅微压阻式力敏芯片6上布置的四个压敏电阻条R1、R2、R3和R4通过节点C、D、E、F、G、H由金丝导线与转接焊盘7上的节点I、J、K和L连接成惠斯登电桥，其中第一压敏电阻条R1和第二压敏电阻条R2由节点H连接，第三压敏电阻条R3和第四压敏电阻条R4由节点G连接，节点D、E与I相连，节点F、C与L相连，节点H和G分别与J和K相连，利用惠斯登电桥电路将金属弹性体5的弹性变形转换为相应的电压输出，导线孔8配置在金属弹性体5的侧壁底部，用于第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10的电线4的引出，有利于保证传感器底面与鞋底的圆形沉孔的底面完全贴合，盖板9位于金属弹性体5的下部，并和金属弹性体5的侧壁相接，起密封作用，防止杂物进入，以提高脚底压力测量装置的可靠性和使用寿命。

参见图2，所述的金属弹性体5采用具有硬中心的平膜片的结构形式，弹性元件上的凸起部分减小了第一脚底压力传感器2、第二脚底压力传感器11和第三脚底压力传感器10与脚底面的接触面积，使得其对脚底压力更加敏感，同时该凸起的存在还改善了平膜片上应力分布的性质，将膜片上的均布压力转换为集中力，增加有效面积，在小位移下容易产生较高的应力，使其更加适合作为于脚底压力检测的弹性敏感元件。

参见图3，所述的硅微压阻式力敏芯片6是采用SOI技术根据硅材料的压阻效应制作的半导体敏感元件，在硅微力压阻式敏芯片6的工作晶面(100)的硅膜上，分布四条压阻条，其中第一压阻条R₁和第四压阻条R₄沿着[110]晶向布置，另外两个第二压阻条R₂和第三压阻条R₃沿晶向布置，如此布置能够充分利用压阻效应具有的各向异性特征，可以达到在同样的力作用下得到更大的输出电信号的效果。

本发明的工作原理是：

接通电源B后，人的脚底直接与脚底压力传感器2的金属弹性体5接触，在人体重力作用下金属弹性体5产生弹性变形并且传递到配置在金属弹性体5上的硅微压阻式力敏芯片6上，硅微压阻式力敏芯片6在该弹性变形导致的应力作用下组成惠斯通电桥的压敏电阻值发生改变，电桥失去平衡，输出一个与所加脚底压力相对应的电压信号，将每一个脚底压力传感器2输出的电压送入计算机A进行数据处理之后得到脚底压力的测量结果。

由弹性变形产生的应力使得硅微压阻式力敏芯片6中的压敏电阻条阻条的电阻值发生变化，当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关系式如下：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_l{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}}_i$

式中：R——压阻条初始阻值；

π_l——为压阻条横向压阻系数；

π_τ——压阻条纵向压阻系数；

σ_i——压阻条受到的正应力；

τ_i——压阻条受到的剪应力。

电阻值的变化过惠斯通电桥转变为电信号输出，从而实现力敏芯片对脚底压力-电压信号转换。

附图中：1为鞋底；2为脚底压力传感器；3为引线槽；4为电线；5为金属弹性体；6为硅微压阻式力敏芯片；7为转接焊盘；8为导线孔；9为盖板；10为金丝导线；A为计算机；B为电源；R1为第一压敏电阻条；R2为第二压敏电阻条；R3为第三压敏电阻条；R4为第四压敏电阻条；C、D、E、F、G和H为硅微压阻式力敏芯片的节点；I、J、K和L为转接焊盘的节点；[110]和为晶向。

Claims (3)

1.一种脚底压力测量装置，包括鞋底(1)，其特征在于：在鞋底(1)的足跟处至少布置一个第一脚底压力传感器(2)，在第一跖骨头处至少布置一个第二脚底压力传感器(11)，在第五跖骨头处至少布置一个第三脚底压力传感器(10)，在鞋底(1)的中间配置有引线槽(3)，第一脚底压力传感器(2)、第二脚底压力传感器(11)和第三脚底压力传感器(10)的电源接口端之间通过位于引线槽(3)的电线(4)连接，第一脚底压力传感器(2)、第二脚底压力传感器(11)和第三脚底压力传感器(10)的信号输出端分别和计算机(A)相连，第一脚底压力传感器(2)的电源线和电源(B)相连，

所述的第一脚底压力传感器(2)、第二脚底压力传感器(11)和第三脚底压力传感器(10)的结构相同，均包括金属弹性体(5)，在金属弹性体(5)的顶部下表面上配置有硅微压阻式力敏芯片(6)和转接焊盘(7)，硅微压阻式力敏芯片(6)上布置的四个力敏电阻条通过金丝导线(10)由转接焊盘(7)连接成惠斯登电桥，导线孔(8)配置在金属弹性体(5)的侧壁底部，盖板(9)位于金属弹性体(5)的下部，并和金属弹性体(5)的侧壁相接。

2.根据权利要求1所述的一种脚底压力测量装置，其特征在于：所述的金属弹性体(5)采用具有硬中心的平膜片的结构形式。

3.根据权利要求1所述的一种脚底压力测量装置，其特征在于：所述的硅微压阻式力敏芯片(6)是采用SOI技术根据硅材料的压阻效应制作的半导体敏感元件。

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