CN102783955B - 一种压力分布检测装置 - Google Patents

Abstract

一种压力分布检测装置，其柔性阵列传感器单元（2）依次连接信号调理及数据采集单元（2）和数据显示及分析单元（3）。柔性阵列传感器单元（2）由传感器阵列（1）和惠斯通电桥电路组成。传感器阵列（1）由传感器节点组成，每个传感器节点为一个应变片（6），应变片（6）按照行和列的方式排列组成传感器阵列（1）。每个应变片（6）与已知阻值的三个精密电阻组成惠斯通电桥电路。当应变片（6）受到外界压力，电阻发生变化，通过信号调理及数据采集单元（3）采集柔性阵列传感器单元（2）上的阻值变化信息，经模数转换后传输到数据显示及分析单元（4），进行显示及分析。本发明为生物力学工程、医疗康复、康复辅具性能检测等领域。

Description

一种压力分布检测装置

技术领域

本发明涉及一种压力检测装置，特别涉及医疗康复领域的一种测量装置。

背景技术

在生物力学工程、医疗康复、康复辅具性能检测等领域，需要准确实时了解人体与辅具接触面的压力分布情况，为临床效果评估、辅具的调整和更新提供定量化的依据。本发明的压力分布正是基于这种需求上开发的一种测量仪器。

目前，按照使用的传感器类型，压力分布测量的方法可分为压力印记、电阻式、电容式。霍尔效应式等。国外在压力分布测量方法的研究已有四十年的历史，成熟的产品以电容式和压阻式为主。如ROHO公司的Xsensor压力测量系统，该测量系统是基于电容式传感器的压力测量技术，可测量人体在不同支撑面上的表面压力。系统可应用于多种领域，如床垫轮椅、科学分析、表面舒适度等。该压力测试系统的尺寸有很多种，最大尺寸为80cm×200cm，有10240个传感点。该系统的扫描速率每秒可达10000~70000个传感点。系统的精度在±10%或是10mmHg。还有一种美国Tekscan公司生产压力分布测量系统，该测试系统的压力传感器为柔性薄膜网格状触觉压力传感器。柔性薄膜网格触觉压力传感器的厚度仅为0.1mm，且该压力传感器的柔性很好，因而可以测量各种接触面之间的压力。加拿大Vista Medical公司的FSA(Force Sensing Array)压力测试系统，该测量系统是基于压电电阻压力传感技术。该系统的压力测量垫厚度仅为0.36mm。同时该系统受湿度和温度的影响都很小，可靠性高，重复性比较好，且持久耐用，其精度为±10%。以上压力分布测量系统都属于国外成熟产品，但这些成熟产品价格高，可裁剪性和可移植性差，尤其在康复辅具性能检测领域应用，需要根据辅具特点制作不同形状或尺寸的压力分布检测系统，同时要与其它方面的性能检测系统要兼容，则直接购买国外定制型产品则价格更高，软件可裁剪性和可移植性都受到制约。专利200680019289.5日本施乐库株式会社提出一种“压力分布检测装置”，该装置主要由第1环电极线组、其上的第2环电极线组、其上的弹性体和其上的导电物质组成，采用的检测原理为电磁耦合原理。专利201080011180.3中，美国的爱鞋仕环球有限公司提出“用于压力分布的鞋底嵌入物”，目的是改善足部健康并减轻痛疼状况，该装置由压力缓和器片和可移除并可替换地附连到缓和器片上的一个或更多个压力垫组成。200510113801.x日本阿尔卑斯电气株式会社提出“表面压力分布传感器”，该装置只适合表面压力的测量。

国内对压力分布测量系统的研究和应用还不普遍。中国专利200710191266.9“一种压力分布测量装置及其测量方法”提出的该压力分布测试装置由柔性阵列传感器、嵌入式信号驱动采集单元和计算机分析处理软件组成。压力传感器单元采用压力敏感浆料，属于传感器固化定性产品，与国外成熟产品类似，可裁剪性差，而且该产品没有考虑连续检测时温度对压力测量的影响。而研究足底压力分布的专利相对比较多，例如：专利01267386.2提出的“足底压力分布调整垫”，02228378.1的“平板式足底压力分布测量装置”等。

综上所述，在康复辅具检测领域，研究性价比高、可裁剪和可移植性好的压力分布检测系统势在必行。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的可裁剪性和可移植性差，以及受检测温度影响的缺点，提出一种压力分布测量装置。该装置采用应变片阵列输出力信息，因此形成的装置性价比高，可裁剪性好，为生物力学工程、医疗康复、康复辅具性能检测等提供科学依据。

本发明采用以下技术方案：

本发明提出的基于应变片阵列的压力分布检测装置包括传感器阵列组成的柔性阵列传感器单元、信号调理及数据采集单元和数据显示及分析单元三个部分。

所述的柔性阵列传感器单元通过导线依次连接信号调理及数据采集单元和数据显示及分析单元。

柔性阵列传感器单元由传感器阵列和惠斯通电桥电路组成，其中传感器阵列是为本发明柔性传感器单元的核心器件。传感器阵列由传感器节点组成，每个传感器节点为一个应变片，应变片为金属箔片式电阻应变片。应变片按照行和列的方式排列组成传感器阵列。每个应变片分别与已知阻值的三个精密电阻组成惠斯通电桥电路，应变片为惠斯通电桥电路的一个臂，所述的三个精密电阻组成惠斯通电桥的其它三个臂，应变片数量与惠斯通电桥的数量相同。为保证测量的准确性，减小导线电阻，传感器节点和已知阻值的电阻之间的距离尽量小。检测时柔性阵列传感器单元位于康复辅具系统与被检测对象之间，为最大程度减少信号噪声，信号调理及数据采集单元位于柔性阵列传感器单元附近，信号调理及数据采集单元和柔性阵列传感器单元之间的连接导线长度不超过1m。信号调理及数据采集单元和数据显示及分析单元之间可以通过同轴电缆连接也可以通过无线等方式连接，数据显示和分析单元可位于任何有利于检测和观察的位置。

所述的柔性阵列传感器单元中，组成所述的传感器阵列的传感器节点为一个应变片。每个应变片与已知阻值的三个精密电阻组成惠斯通电桥电路，其中应变片为惠斯通电桥电路的一个桥臂，所述的三个精密电阻组成惠斯通电桥的其它三个桥臂。每个应变片两个输出电极中的一个连接横向银浆导线，横向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第一精密电阻，第一精密电阻的另一端连接惠斯通电桥电路的第二精密电阻的一端，每个应变片两个输出电极中的另一个连接列向银浆导线，列向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第三精密电阻，第三精密电阻的另一端和第二精密电阻的另一端也通过银浆导线连接。每个应变片都与其它三个精密电阻组成一个惠斯通电桥，因此应变片的数量与惠斯通电桥的数量相同。应变片的两个输出电极分别与上下两层的银浆导线连接，并利用强力胶固定。传感器节点按照行和列的顺序排列，行距和列距根据被测对象可调。当所述的应变片受到外界压力，电阻发生变化后，通过信号调理及数据采集单元采集柔性阵列传感器单元上的阻值变化信息，并通过模数转换后传输到数据显示及分析单元，进行力学信息的显示及分析。

所述的传感器阵列由硅胶薄膜基底，应变片阵列和聚四氟乙烯薄膜组成，硅胶质地柔软、易于弯曲。表面光滑，对人体不会产生影响，舒适性较好，因此选用硅胶薄膜作为基底。硅胶薄膜基底和位于其上层的聚四氟乙烯薄膜上均印有银浆导线，硅胶薄膜基底和聚四氟乙烯薄膜两层薄膜之间夹有应变片，利用强力胶固定。上层聚四氟乙烯薄膜和下层硅胶薄膜基底的银浆导线分别为横向排列和列向排列。应变片的两个输出电极分别与上层聚四氟乙烯薄膜和下层硅胶薄膜基底的银浆导线连接，并利用强力胶固定。每个应变片的一个电极连接横向的银浆导线，应变片的另一个电极连接列向银浆导线，然后应变片通过银浆导线连接位于传感器阵列周围的已知阻值的三个精密电阻组成一对惠斯通电桥。已知阻值的精密电阻位于传感器阵列周围，为保证电路的牢固性，已知阻值的电阻同样用强力胶固定在硅胶薄膜基地上，上层为聚四氟乙烯薄膜。惠斯通电桥输出的信号由信号调理剂采集单元接收并采集。

所述的应变片选择双金属敏感栅自补偿应变片，温度补偿效果可达0.1με/℃。

传感器阵列的阵列密度可根据实际情况调节，最大密度可达1cm*1cm，阵列单元大小可变，阵列单元形状可以是方形或矩形。

信号调理及数据采集单元主要由差分放大电路、滤波电路、峰值检测电路和AD采样电路组成，由惠斯通电桥电路首先通过导线连接差分放大电路，然后依次连接滤波电路、峰值检测电路和AD采样电路，惠斯通电桥电路输出的信号经差分放大电路放大，滤波电路滤波后，送至峰值检测电路和AD采样电路，最后由数据显示及分析单元进行实时采集、显示、存储和数据分析。其中数据显示及分析单元实现传感器受压范围内压力值大小的图像描绘，以及总压力值和平均压力值的显示等。

惠斯通电桥电路将应变片在压力的作用下电阻发生的变化以电压信号的形式表现出来，但是惠斯通电桥电路的输出信号非常微弱，电压幅值在10^-5V，为了获取输出信号的峰值，必须首先将信号放大，因此信号调理及采集单元的差分电路选择的运算放大器为AD620，AD620是一款低成本，高精度的单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，只需要一个电阻便可以实现对增益的精确编程（G=100时精度可达0.15%）。同时AD620的小尺寸、低功耗和高精度非常适用于低电压供电的压力传感器。该运算放大器有较高的共模抑制比，温度稳定性好，噪声系数小且具有调节方便的特点。放大后的信号经过滤波后，再通过峰值保持电路对放大了的电压信号进行检测，输出其峰值并把它转化成直流的峰值电压信号，最后再进行A/D转换将模拟信号转换为数字信号。本发明中高速运算放大器构成的峰值检测电路利用二极管的单向导电性，由运算放大器、检波二极管、保持电容器和输出缓冲器构成峰值检测电路。本峰值检测电路首先利用2个运算放大器将整体电路构成负反馈形式，并在反相端和输出端之间串联一个二极管，防止经过第一个运算放大器后的信号与输入端信号的电压偏离太远，这样就会增加该电路的输入信号频率范围。两个运算放大器之间分立的二极管给电容充电，利用二极管的单向导电性和电容的存储作用构成检测电路，其中电容并联复位开关，起到对电容上的电压进行放电的作用，此结构的峰值检测电路可以达到2MHz输入频率范围内的信号峰值检波。这种峰值保持电路结构简单，速度快。并且随着运算放大器制作工艺的发展以及结构的更新，运算放大器的性能有了很大的提高，利用运算放大器设计的峰值检测电路峰值保持速度已达到纳秒级。由以上几个组成部分形成的信号解调及采集单元采样频率可达KHz。

附图说明

图1本发明系统结构图；

图2柔性阵列传感器截面图；

图3信号调理及数据采集单元的电路原理图；

图4峰值检测电路原理图；

图中：1 传感器阵列，2 柔性阵列传感器单元，3 信号调理及数据采集单元，4 数据显示及分析单元，5 聚四氟乙烯薄膜，6 应变片，7 硅胶薄膜基底。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明基于应变片阵列的压力分布检测装置包括传感器阵列组成的柔性阵列传感器单元2、信号调理及数据采集单元3和数据显示及分析单元4三个部分，柔性阵列传感器单元2依次连接信号调理及数据采集单元3和数据显示及分析单元4。

柔性阵列传感器单元2由传感器阵列1和惠斯通电桥电路组成.其中传感器阵列1由传感器节点组成，每个传感器节点对应一个应变片6，应变片6为金属箔片式电阻应变片。应变片6按照行和列的方式排列组成传感器阵列1。应变片6排列的行距和列距根据被测对象可变，最小行距和列距分别为1cm。

柔性阵列传感器单元2由传感器阵列1和惠斯通电桥电路组成，其中传感器阵列1是为本发明柔性阵列传感器单元2的核心。传感器阵列1中的每一个传感器节点为一个应变片6，传感器阵列1也可以称之为应变片阵列。每个应变片6与已知阻值的三个精密电阻组成惠斯通电桥电路，其中应变片为惠斯通电桥电路的一个桥臂，所述的三个精密电阻组成惠斯通电桥的其它三个桥臂。每个应变片有两个引出端，也称为2个输出电极，其中一个输出电极连接横向银浆导线的一端，横向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第一精密电阻，第一精密电阻的另一端连接惠斯通电桥电路的第二精密电阻。应变片的另一个输出电极连接列向银浆导线，列向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第三精密电阻，第三精密电阻的另一端和第二精密电阻的另一端也通过银浆导线连接。每个应变片6均与其它三个精密电阻组成一个惠斯通电桥，因此应变片6的数量与惠斯通电桥的数量相同。应变片的输出电极与银浆导线之间通过利用强力胶固定。传感器节点按照行和列的顺序排列，行距和列距根据被测对象可调。为保证测量的准确性，减小导线电阻，应变片与已知阻值的电阻之间的距离尽量小。检测时传感器阵列1位于康复辅具系统与被检测对象之间，为最大程度减少信号噪声，信号调理及数据采集单元3位于柔性阵列传感器单元2附近。信号调理及数据采集单元3和数据显示及分析单元4之间可以通过同轴电缆连接也可以通过无线等方式连接，数据显示和分析单元4可位于任何有利于检测和观察的位置。

本发明的压力分布测量方法是基于柔性阵列传感器单元2中的传感器阵列1进行的，传感器阵列1为柔性阵列传感器单元2的核心。图2所示为柔性阵列传感单元2内传感器阵列1的截面图，其中传感器阵列1由传感器节点组成，每个传感器节点为一个应变片6。首先选择一定尺寸硅胶薄膜基底7和聚四氟乙烯薄膜5，并在硅胶薄膜基底7和聚四氟乙烯薄膜5上印刷银浆导线。然后将具有温度自补偿功能的应变片6粘贴在绝缘硅胶薄膜基底7上，绝缘硅胶薄膜基底7呈矩形状，其上覆盖聚四氟乙烯薄膜5。硅胶薄膜基底7上的银浆导线按行线引出，聚四氟乙烯薄膜上的银浆导线按列引出，硅胶薄膜基底7上的银浆导线和聚四氟乙烯薄膜上的银浆导线分别为横向排列和列向排列。每个应变片都有2个输出电极，其中一个输出电极连接横向银浆导线的一端，横向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第一精密电阻，第一精密电阻的另一端连接惠斯通电桥电路的第二精密电阻。应变片的另一个输出电极连接列向银浆导线的一端，列向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第三精密电阻，第三精密电阻的另一端和第二精密电阻的另一端之间也通过银浆导线连接。每个应变片6均与其它三个精密电阻组成一个惠斯通电桥，因此应变片6的数量与惠斯通电桥的数量相同。应变片6的2个输出电极与银浆导线之间零电阻连接，连接的节点通过强力胶固定。例如5×5传感器阵列的应变片需要25个行线和25个列线，对应25个应变片，因为每个应变片对应一个惠斯通电桥电路，则需要15个惠斯通电桥。考虑到传感器阵列的稳定性和惠斯通电桥电路测量的准确性，惠更斯电桥电路包含的电阻和导线采用印制方式，两层对合的聚酯薄膜基材将惠更斯电桥电路的电阻和导线压制在其中，惠更斯电桥电路上处应变片外的电阻采用已知阻值的高精度贴片电阻，所述的已知阻值的电阻同样用强力胶固定在硅胶薄膜基底7上。硅胶薄膜基底7的上层为聚四氟乙烯薄膜5。组成惠更斯电桥的电路上的导线采用银浆导体，传感器阵列上的银浆导线与惠斯通电桥的银浆导线直接连接，共同构成柔性阵列传感器单元2。惠斯通电桥电路输出的信号引出线接入信号调理数据及采集单元3的差分放大电路。

信号调理数据及采集单元3主要由差分放大电路、滤波电路、峰值检测电路和AD采样电路组成，采用5V电源供电，采样频率可高达1KHz。为提高信噪比，如图3所示，由惠斯通电桥电路首先通过导线连接差分放大电路，然后依次连接滤波电路、峰值检测电路和AD采样电路，惠斯通电桥电路输出的信号经差分放大电路放大，滤波电路滤波后，送至峰值检测电路和AD采样电路，最后由数据显示及分析单元4进行实时采集、显示、存储和数据分析。其中数据显示及分析单元4通过软件实现传感器受压范围内压力值大小的图像描绘、总压力值和平均压力值的显示等。显示方式为LCD显示。

所述的差分放大电路采用的运算放大器为AD620，AD620是一款低成本，高精度的单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，只需要一个电阻便可以实现对增益的精确编程（G=100时精度可达0.15%）。同时AD620的小尺寸、低功耗和高精度非常适用于低电压供电的压力传感器。该运算放大器有较高的共模抑制比，温度稳定性好，噪声系数小且具有调节方便的特点。放大后的信号经过滤波后，再通过峰值保持电路对放大了的电压信号进行检测，输出其峰值并把它转化成直流的峰值电压信号，最后再进行A/D转换将模拟信号转换为数字信号。本发明中高速运算放大器构成的峰值检测电路利用二极管的单向导电性，由运算放大器、检波二极管、保持电容器和输出缓冲器构成峰值检测电路，电路结构如图4所示。本峰值检测电路首先利用运算放大器u1和运算放大器u2将整体电路构成负反馈形式，并在反相端和输出端之间串联一个二极管D2，防止经过运算放大器u1后的信号与输入端Vin的电压偏离太远，这样就会增加该电路的输入信号频率范围。而分立的二极管D1给电容C1充电，利用二极管的单向导电性和电容的存储作用构成检测电路，其中电容C1并联复位开关，起到对电容上的电压进行放电的作用，电路中的电阻R1起到防止反馈过饱和作用，此电路构成的峰值检测电路可以达到2MHz输入频率范围内的信号峰值检波。这种峰值保持电路结构简单，速度快，并且随着运算放大器制作工艺的发展以及结构的更新，运算放大器的性能有了很大的提高，利用运算放大器设计的峰值检测电路峰值保持速度已达到纳秒级。本发明中峰值检测电路的具体连接方式描述如下：第一运算放大器u1的同相输入端连接滤波电路，接收滤波电路输出的信号，第一运算放大器u1的反相输入端连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极直接连接第一运算放大器u1的输出端，第一运算放大器u1的输出端同时连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接电容C1，电容C1和复位开关并联，第一二极管D1的负极同时连接到第二运算放大器u2的同相输入端，第二运算放大器u2的反相输入端直接连接第二运算放大器u2的输出端，同时为防止反馈过饱和，电阻R1连接在第一运算放大器u1和第二运算放大器u2的反相输入端之间。

采集到的信号由数据显示及分析单元4进行实时采集、显示、存储和分析，并实现据显示及分析单元通过软件实现传感器受压范围内压力只大小的图像描绘、总压力值和平均压力值的显示等。显示方式为LCD显示。

Claims (3)

1.一种压力分布检测装置，其特征在于，所述的检测装置包括柔性阵列传感器单元(2)、信号调理及数据采集单元(3)和数据显示及分析单元(4)；所述的柔性阵列传感器单元(2)依次连接信号调理及数据采集单元(3)和数据显示及分析单元(4)；所述的柔性阵列传感器单元(2)由传感器阵列(1)和惠斯通电桥电路组成；所述的传感器阵列(1)由传感器节点组成，每个传感器节点为一个应变片(6)，应变片(6)按照行和列的方式排列组成传感器阵列(1)；每个应变片(6)与已知阻值的三个精密电阻组成惠斯通电桥电路；当应变片(6)受到外界压力，电阻发生变化，通过信号调理及数据采集单元(3)采集柔性阵列传感器单元(2)上的阻值变化信息，经模数转换后传输到数据显示及分析单元(4)，进行显示及分析；

所述的应变片(6)为惠斯通电桥电路的一个桥臂，所述的三个精密电阻组成惠斯通电桥的其它三个桥臂；

所述的信号调理及采集单元(3)中的主峰值检测电路峰值保持速度达到纳秒级；所述的峰值检测电路由运算放大器、检波二极管、保持电容器和输出缓冲器构成；第一运算放大器(u1)的同相输入端连接滤波电路，第一运算放大器(u1)的反相输入端连接第二二极管(D2)的正极，第二二极管(D2)的负极连接第一运算放大器(u1)的输出端，第一运算放大器(u1)的输出端同时连接第一二极管(D1)的正极，第一二极管(D1)的负极连接电容(C1)，电容(C1)和复位开关并联；第一二极管(D1)的负极同时连接到第二运算放大器(u2)的同相输入端，第二运算放大器(u2)的反相输入端连接第二运算放大器(u2)的输出端；电阻(R1)连接在第一运算放大器(u1)和第二运算放大器(u2)的反相输入端之间。

2.根据权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于所述的应变片(6)位于绝缘硅胶薄膜基底(7)和聚四氟乙烯薄膜(5)之间；所述的硅胶薄膜基底(7)和聚四氟乙烯薄膜(5)上印刷银浆导线；硅胶薄膜基底(7)上的银浆导线按行线引出，为横向排列的横向银浆导线,聚四氟乙烯薄膜(5)上的银浆导线按列引出，为列向排列的列向银浆导线。

3.根据权利要求2所述的压力分布检测装置，其特征在于每个所述的应变片(6)的一个输出电极连接所述的横向银浆导线的一端，横向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第一精密电阻的一端；所述的第一精密电阻的另一端连接惠斯通电桥电路的第二精密电阻；应变片(6)的另一个输出电极连接列向银浆导线的一端，列向银浆导线的另一端连接惠斯通电桥电路的第三精密电阻，所述的第三精密电阻的另一端和第二精密电阻的另一端通过银浆导线连接。

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