CN103048068B - 一种测量头部压力的柔性传感装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量头部压力的柔性传感装置及其制作方法，所述装置包括能够与头部曲面形状贴合的一底面硅胶层，所述底面硅胶层上表面设置有由若干压力传感器和纵横连接各压力传感器的导线组成的矩阵网络，所述矩阵网络的外面通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于输出各压力传感器信息的采集控制模块。本发明具有较好的柔性，可以紧密地贴合头部曲面，特别适用于在佩戴头盔、安全帽等防护用品时，测量头部各点所受的压力。

Description

一种测量头部压力的柔性传感装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种柔性传感装置及其制作方法，特别是关于一种在佩戴头盔、安全帽等防护头具时，能够精确测量头部压力的柔性传感装置及其制作方法。

背景技术

头盔、安全帽都是用来防止冲击物伤害头部的防护用品。随着现代工作、生活的日益多样化，人们对生命安全也愈来愈重视，头部防护用品的使用方面也越来越广泛，大致可分为军事、工作、运动三类。佩戴头盔、安全帽等防护用品可以有效保护生命，但是由于对它们性能的特殊要求，使得它们都具有可观的重量，如世界上发达国家规定的安全帽的重量一般都在400g至500g。

若要测量人在佩戴头盔、安全帽等防护用品时，头部各点所受的压力，首先要求压力传感装置能够测量曲面，且要有一定的柔性。对近似于平面的接触面，传统的压力传感器采用平铺的布局方式可以很好的完成任务，但是对于曲率变化较大的曲面结构，传统的布局方式难以获得精确、可靠的数据。CN200710094157.5提出一种测量臀部曲面形态及其法向压力分布的装置和测量方法，其是采用液压连通器获取单点或分布不均匀的压力信息，难以形成规律的矩阵式的结构，同时也不适用于头顶分布压力的测量；实用新型专利200920080140.9提出一种基于测压平板的三维曲面测量装置，它使用传统的布局方式，不具备延展性，且难以紧密贴合曲面，不易于获得头部压力的精确、可靠的数据。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在佩戴头盔、安全帽等防护头具时，用于精确测量头部压力的柔性传感装置及其制作方法。

为实现上述目标，本发明采取以下技术方案：一种测量头部压力的柔性传感装置，其特征在于：它包括能够与头部曲面形状贴合的一底面硅胶层，所述底面硅胶层上表面设置有由若干压力传感器和纵横连接各压力传感器的导线组成的矩阵网络，所述矩阵网络的外面通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于输出各所述压力传感器信息的采集控制模块。

所述采集控制模块包括一选通模块、一运放模块和一A/D转换模块；所述选通模块包括若干选通开关，每一所述选通开关都连接所述矩阵网络的一行或一列，所述运放模块包括若干运放通道，每一所述运放通道都连接所述矩阵网络的一列或一行，每一被选通的行或列上的所述压力传感器感应的电流值，均通过其所在列或行的所述运放通道放大后送入所述A/D转换模块，进行转换后输出。

所述压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，包括以下步骤：1）选定一个头模，在头模上设置一层硅胶，形成一底面硅胶层；2）待底面硅胶层干固后，用剪刀裁剪出底面硅胶层的下沿；3）在底面硅胶层上做出将头模分成左、右对称两部分的中轴面，并定义其与底面硅胶层的交线为纵向中轴线；4）垂直于中轴面做奇数个等分横切面，并定义每一横切面与底面硅胶层的交线为横向头围线，每一横向头围线的两端分别与底面硅胶层的下沿有一交点；5）平行于中轴面做若干等分纵切面，定义每一纵切面过前、后对称两交点，且与底面硅胶层的交线为纵向头围线；6）在每一所述交点，以及每一所述横向头围线与所述纵向头围线的交点上，分别粘接一压力传感器；7）将相邻的所述压力传感器通过弯曲或盘绕的曲线作为导线焊接连接，形成一由所述压力传感器和所述导线组成的矩阵网络；8）在矩阵网络的外部通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于采集各压力传感器信息的采集控制模块；9）在矩阵网络和底面硅胶层上涂覆一层硅胶形成一顶面硅胶层，待顶面硅胶层干固后，用剪刀剪出与底面硅胶层相同形状的下沿即成。

所述底面硅胶层和顶面硅胶层采用蘸取工艺和手糊工艺相结合的方式制作而成。

所述横切面的数量为13或15或17。

所述压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明装置由于设置了一底面硅胶层和一顶面硅胶层，因此其既为压力传感器阵列提供了均匀的承载面，又起到电气绝缘的作用，从而保证了压力传感器阵列的稳定工作。2、本发明装置由于在底面硅胶层和顶面硅胶层之间设置有一由压力传感器组成的矩阵网络，且相邻的压力传感器通过盘绕成曲线的导线焊接连接，因此本发明装置具有很好的曲面贴合性和延展性，特别适合用于对曲率变化不规则的人体头部所承受的压力进行测量。3、本发明装置在矩阵网络的外部设置有一包括选通模块、运放模块和A/D转换模块的采集控制模块，选通模块用于控制矩阵网络的行或列的选通，当某一行或列被选通之后，通过运放模块的各运放通道输出的该列或行中的压力传感器感应的电流值，并输出给A/D转换模块进行A/D转换，完成该行或列中各个压力传感器的压力输出，因此可以对被选通的行或列中的所有压力传感器同时进行电流测量，速度快且互不干扰。4、本发明装置由于在头部曲面上布置的压力传感器，为片层式结构的应变电阻式传感器，输入恒定的电压时将输出与施加压力成线性相关的电流值，因此，本发明具有精度高、反应速度快、测量方便的特点。5、本发明装置确定压力传感器布置位置的方法，实际上是采用平面矩阵在曲面上的投影来确定，该方法不但简单，而且可以有效地保证压力传感器布置均匀、有规律。6、本发明制作时横切面的个数为13或15或17，且纵切面的个数与横切面相同，使得各压力传感器之间的距离约为20mm，可以满足现有传感器尺寸下密集布置的要求。7、本发明装置的底面硅胶层和顶面硅胶层在实际生产中，可以采用硅胶模和真空注型机来制作，可实现大规模成批制作。本发明适用性广，既为头部曲面压力的测量提供有效、可靠的方式，又可以用于其它曲面压力的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明采集控制模块的结构示意图

图3是图1的压力传感器和导线的局部放大图

图4是本发明佩戴效果的俯视图

图5是本发明横向头围线确定方法示意图

图6是本发明矩阵网络确定方法示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明装置包括一与头部曲面形状紧密贴合的底面硅胶层1，在底面硅胶层1上表面设置有由若干压力传感器2和纵横连接各压力传感器2的导线3组成的矩阵网络4，在矩阵网络4的外面通过导线连接一电源模块5和一采集控制模块6，在矩阵网络4和底面硅胶层1上设置有一顶面硅胶层7，顶面硅胶层7将底面硅胶层1、压力传感器2和导线3粘接成一个整体，形成一柔性传感装置。

电源模块5为压力传感器2和采集控制模块6供电。如图2所示，采集控制模块6包括一选通模块61、一运放模块62和一A/D转换模块63。选通模块61包括若干选通开关64，每一选通开关64都与矩阵网络4的一行相连（以行选通为例）；运放模块62包括若干运放通道65，每一运放通道65都与矩阵网络4的一列相连。

如图3、图4所示，矩阵网络4中连接各相邻压力传感器2之间的导线3均采用弯曲或盘绕的曲线方式进行连接，这样在佩戴测量的时候，可以使整个矩阵网络4具有很好的延展性能，再加之底面硅胶层1和顶面硅胶层7自身的可抻拉性能，使本发明装置具有非常好的柔性。

上述实施例中，选通模块261和运放模块262的连接位置是可以有所变化，比如将每一选通开关64都与矩阵网络4的一列相连，而将每一运放通道65都与矩阵网络4的一行相连。

上述实施例中，压力传感器2可以采用片层式结构的应变电阻式传感器，比如：压力传感器2采用Tekscan公司的微型压力传感器，其具有体积小，安装简单等特点。当输入恒定的电压时，压力传感器将输出与施加压力成线性相关的电流值。

本发明装置当有头盔、安全帽等防护头具佩戴在头模上进行压力测量时，选通开关64控制矩阵网络4中各行的选通（以行选通为例，但不限于此），当某一行的压力传感器2被选通之后，每一列的运放通道65便会采集并放大该列被选中的一个压力传感器2感应的电流值，并经给A/D转换模块63转换后输出，从而完成该行中各个压力传感器2的电流输出。选通模块61依次选通矩阵网络4的每一行，则可以完成整个矩阵网络4中各压力传感器2的电流输出。

本发明装置的制作方法包括以下步骤：

1）如图5所示，选定一个头模，在头模上设置一层硅胶，形成一底面硅胶层1；

2）待底面硅胶层1干固后，用剪刀裁剪出底面硅胶层1的下沿11；

3）在底面硅胶层1上做出将头模分成左、右对称两部分的中轴面，并定义其与底面硅胶层1的交线为纵向中轴线12；

4）垂直于中轴面做奇数个等分横切面，并定义每一横切面与底面硅胶层1的交线为横向头围线13，每一横向头围线13的两端分别与底面硅胶层1的下沿11有一交点14；

5）如图6所示，平行于中轴面做若干等分纵切面，定义每一纵切面过前、后对称两交点14，且与底面硅胶层1的交线为纵向头围线15；

6）如图1、图6所示，在每一交点14，以及每一横向头围线13与纵向头围线15的交点16上，分别粘接一压力传感器2；

7）将相邻的压力传感器2通过弯曲或盘绕的曲线作为导线3焊接连接，形成一由压力传感器2和导线3组成的矩阵网络4；

8）在矩阵网络4的外部通过导线连接一用于供电的电源模块5和一用于采集各压力传感器2信息的采集控制模块6；

9）在矩阵网络4和底面硅胶层1上设置一层硅胶形成一顶面硅胶层7，待顶面硅胶层7干固后，用剪刀剪出与底面硅胶层1相同形状的下沿11即成。

上述实施例中，底面硅胶层1和顶面硅胶层7可以采用蘸取工艺和手糊工艺相结合的方法进行制作，在实际大批量生产中，也可以采用硅胶模具和真空注型机的方式进行制作；

上述实施例中，横切面的个数可以是13或15或17。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种测量头部压力的柔性传感装置，其特征在于：它包括能够与头部曲面形状贴合的一底面硅胶层，所述底面硅胶层上表面设置有由若干压力传感器和纵横连接各压力传感器的导线组成的矩阵网络，所述矩阵网络的外面通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于输出各所述压力传感器信息的采集控制模块；在所述矩阵网络和底面硅胶层上设置有一顶面硅胶层，所述顶面硅胶层将所述底面硅胶层、压力传感器和导线粘接成一个整体；

所述矩阵网络中连接各相邻所述压力传感器之间的所述导线均采用弯曲或盘绕的曲线方式进行连接。

2.如权利要求1所述的一种测量头部压力的柔性传感装置，其特征在于：所述采集控制模块包括一选通模块、一运放模块和一A/D转换模块；所述选通模块包括若干选通开关，每一所述选通开关都连接所述矩阵网络的一行或一列，所述运放模块包括若干运放通道，每一所述运放通道都连接所述矩阵网络的一列或一行，每一被选通的行或列上的所述压力传感器感应的电流值，均通过其所在列或行的所述运放通道放大后送入所述A/D转换模块，进行转换后输出。

3.如权利要求1或2所述的一种测量头部压力的柔性传感装置，其特征在于：所述压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，包括以下步骤：

1)选定一个头模，在头模上设置一层硅胶，形成一底面硅胶层；

2)待底面硅胶层干固后，用剪刀裁剪出底面硅胶层的下沿；

3)在底面硅胶层上做出将头模分成左、右对称两部分的中轴面，并定义其与底面硅胶层的交线为纵向中轴线；

4)垂直于中轴面做奇数个等分横切面，并定义每一横切面与底面硅胶层的交线为横向头围线，每一横向头围线的两端分别与底面硅胶层的下沿有一交点；

5)平行于中轴面做若干等分纵切面，定义每一纵切面过前、后对称两交点，且与底面硅胶层的交线为纵向头围线；

6)在每一所述交点，以及每一所述横向头围线与所述纵向头围线的交点上，分别粘接一压力传感器；

7)将相邻的所述压力传感器通过弯曲或盘绕的曲线作为导线焊接连接，形成一由所述压力传感器和所述导线组成的矩阵网络；

8)在矩阵网络的外部通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于采集各压力传感器信息的采集控制模块；

9)在矩阵网络和底面硅胶层上涂覆一层硅胶形成一顶面硅胶层，待顶面硅胶层干固后，用剪刀剪出与底面硅胶层相同形状的下沿即成。

5.如权利要求4所述的一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，其特征在于：所述底面硅胶层和顶面硅胶层采用蘸取工艺和手糊工艺相结合的方式制作而成。

6.如权利要求4所述的一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，其特征在于：所述底面硅胶层和顶面硅胶层采用在真空注型机上设置硅胶模具的方式制作而成。

7.如权利要求4或5或6所述的一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，其特征在于：所述横切面的数量为13或15或17。

8.如权利要求4或5或6所述的一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，其特征在于：所述压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

9.如权利要求7所述的一种测量头部压力的柔性传感装置的制作方法，其特征在于：所述压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。