CN105264349B - 用于测量载荷变化的换能器装置 - Google Patents
用于测量载荷变化的换能器装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105264349B CN105264349B CN201480030781.7A CN201480030781A CN105264349B CN 105264349 B CN105264349 B CN 105264349B CN 201480030781 A CN201480030781 A CN 201480030781A CN 105264349 B CN105264349 B CN 105264349B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transducer
- paper tinsel
- change
- electrode
- assessment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 85
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 30
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 6
- 210000004508 polar body Anatomy 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 3
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 3
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 3
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 101000746134 Homo sapiens DNA endonuclease RBBP8 Proteins 0.000 description 1
- 101000969031 Homo sapiens Nuclear protein 1 Proteins 0.000 description 1
- 102100021133 Nuclear protein 1 Human genes 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 1
- 230000037147 athletic performance Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 210000001872 metatarsal bone Anatomy 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A43—FOOTWEAR
- A43B—CHARACTERISTIC FEATURES OF FOOTWEAR; PARTS OF FOOTWEAR
- A43B13/00—Soles; Sole-and-heel integral units
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A43—FOOTWEAR
- A43B—CHARACTERISTIC FEATURES OF FOOTWEAR; PARTS OF FOOTWEAR
- A43B3/00—Footwear characterised by the shape or the use
- A43B3/34—Footwear characterised by the shape or the use with electrical or electronic arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/225—Measuring circuits therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/048—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI]
- G06F3/0487—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI] using specific features provided by the input device, e.g. functions controlled by the rotation of a mouse with dual sensing arrangements, or of the nature of the input device, e.g. tap gestures based on pressure sensed by a digitiser
- G06F3/0488—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI] using specific features provided by the input device, e.g. functions controlled by the rotation of a mouse with dual sensing arrangements, or of the nature of the input device, e.g. tap gestures based on pressure sensed by a digitiser using a touch-screen or digitiser, e.g. input of commands through traced gestures
- G06F3/04883—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI] using specific features provided by the input device, e.g. functions controlled by the rotation of a mouse with dual sensing arrangements, or of the nature of the input device, e.g. tap gestures based on pressure sensed by a digitiser using a touch-screen or digitiser, e.g. input of commands through traced gestures for inputting data by handwriting, e.g. gesture or text
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于将载荷变化转换为一个或多个电气输出信号的换能器装置。该换能器装置包括至少一个换能器元件以及操作地连接到该换能器元件的评估单元。该换能器装置尤其可以用于医疗应用、体育休闲活动、汽车工业中用于安全应用的碰撞检测以及工业上的安全监控系统。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种用于测量载荷变化的换能器装置。更具体而言，本发明涉及一种被设置在鞋底内或者鞋子镶嵌物上以用于评估施加于其上的载荷变化的换能器装置。
背景技术
本领域公知，可以借助于传感器来测量施加在表面或者体上的载荷变化。换能器将一个物理量(例如，压力)的变化定量地转换为另一个物理量(例如，电压)的变化。本发明涉及一种具有用于将载荷变化转换为电压变化的换能器的改进的换能器装置。
该传感器的一个特定实施例是所谓的力传感电阻器(FSR)。FSR在本领域是众所周知的，并且可以用于许多应用中。该力传感电阻器通常包括具有被设置于其之间的力敏感材料的至少两个电极。如果将载荷施加在FSR上，那么跨力敏感材料的电极之间的电阻会发生变化。耦合到电极的电气电路对电阻变化进行监测。
根据优选应用，为了测量在步行、跳跃以及特别是奔跑期间人施加在鞋底上的力，可以将FSR设置在鞋底内。US 2010/0063778揭示了具有不同力传感电阻器的这种鞋传感器系统，该不同力传感电阻器操作地连接到电气模块。电气模块能够收集来自不同力传感电阻器的测量结果，并且能够经由通信端口向外部设备发送数据以作进一步使用。
然而，力传感电阻器具有低速响应，并且因此可以仅用于测量静态载荷变化或者准静态载荷变化。它们不足以精确地提供与用户的足部解剖(anatomy)或者步态动态有关的信息。然而，此信息在运动员监测中或者对于医疗应用(例如，足部诊断和健康预防)会是非常有用的。
技术问题
因此，本发明的目的在于，提供一种可以更加精确地测量载荷变化的换能器装置。通过由本发明所要求保护的换能器装置来描述该换能器装置。
发明内容
本发明涉及一种用于将载荷变化转换为一个或多个电气输出信号的换能器装置。该换能器装置包括至少一个换能器元件以及操作地连接到该换能器元件的评估单元。该换能器装置尤其可以用于医疗应用、体育休闲活动、汽车工业中用于安全应用的碰撞检测以及工业上的安全监测系统。
换能器元件包括第一换能器与第二换能器的组合。评估单元包括：
第一评估电路，该第一评估电路关联到将静态载荷变化或者准静态载荷变化转换为第一输出信号的第一换能器，该静态载荷变化或者准静态载荷变化包括>0.1sec的典型时间帧，
第二评估电路，该第二评估电路关联到用于将高动态载荷变化转换为第二输出信号的第二换能器，该高动态载荷变化通常是比准静态信号变化快10-100倍的因子，以及
输出电路，该输出电路操作地连接到第一评估电路和第二评估电路，以输出第一电气输出信号和/或第二电气输出信号。
由于此换能器装置，可以以较高的精度来测量载荷变化。
本发明具体涉及(但并非排他地)一种换能器元件，其中，第一换能器或/和第二换能器是基于箔的。第一换能器和第二换能器可以具体化为(例如至少在其特定位置处层合在一起的)若干箔的多层装置。由于箔的柔韧性、轻和薄，可以将其设置在多种不同的材料上或者多种不同的材料内。
根据本发明的特定的有利的实施例，第一换能器是箔型压力传感器。该箔型压力传感器包括：
第一载体箔，
第二载体箔，该第二载体箔通过被设置在第一载体箔与第二载体箔之间的一个或多个间隔体与第一载体箔隔离，以及
至少两个电极和压力敏感材料层，该至少两个电极和该压力敏感材料层被设置在第一换能器的有效区域中。该压力敏感材料连接第一电极和第二电极。
响应于作用在有效区域上的载荷变化，第一载体箔向第二载体箔靠近，并且跨第一电极与第二电极之间的压力敏感材料层建立电气接触，以使得第一电极与第二电极之间所测量的电阻改变。间隔体可以由海绵或者可以在压力下压缩并且在压缩之后恢复其初始尺寸的任意其它材料制成。
根据本发明的优选实施例，第一电极设置在第一载体箔上，第一电极面向被设置在第二载体箔上的第二电极。压力敏感材料层覆盖箔型压力传感器的有效区域中的第一电极和/或第二电极，并且将第一电极连接到第二电极。响应于作用在箔型压力传感器的有效区域上的压力，第一电极向第二电极靠近，并且跨压力敏感材料(其被设置在电极之间)的电极之间的电阻改变。通过操作地连接到第一电极和第二电极的评估电路来测量电阻变化。
替代地，第一电极和第二电极彼此分隔地设置在第一载体箔上，而压力敏感材料层被设置在面向第一载体箔的第二载体箔上。间隔体设置在第一载体箔与第二载体箔之间，当没有压力被施加在有效区域上时，使第一载体箔与第二载体箔保持彼此隔离。
当力被施加在有效区域上时，使得第一载体箔和第二载体箔集合在一起，并且压力敏感材料层连接有效区域中的第一电极和第二电极。响应于电气接触的建立，由压力敏感材料连接的电极之间的电阻改变。第一载体箔和第二载体箔可以由非常薄的电气绝缘材料制成。第一换能器可以具体化为FSR(力传感电阻器)或者能够测量低动态载荷变化的任意其它的换能器。
每一个换能器元件都可以具体化为测量预定义的区域处的载荷变化并且向输出电路发送一个或多个电气输出信号的独立单元。根据本发明的优选实施例，可以将多个换能器元件设置为在空间上彼此分隔。这是有利的，因为元件可以放置于需要载荷测量的特定部分。在某些情况下，需要测量仅在第一换能器的特定部分中的高动态载荷变化。因此，多个换能器元件可以利用一个公共的第一换能器或/和第二换能器。
第二换能器可以有利地是基于驻极体的压力传感器，或者替代地具有较小动态范围的包括传感箔的压电式压力传感器。该传感箔可以具有阳极和阴极，其中基于驻极体的材料或者压电材料设置在阳极与阴极之间。优选地，阳极和阴极连接到第二评估电路。这种基于驻极体的或者具有较低灵敏度的压电传感器能够测量高动态载荷变化。
根据本发明的一个实施例，第一换能器和第二换能器被设置为一个在另一个上方。第一换能器和第二换能器可以非常薄，以使得施加在换能器中的一个换能器上的载荷自动地施加在两个换能器上。
此外，第一载体箔或/和第二载体箔包括传感箔。可以由传感箔来完全地替代第一换能器的第一载体箔或/和第二载体箔。
根据本发明的不同实施例，一个或多个间隔体包括传感箔。该传感箔可以部分或者完全地替代该一个或多个间隔体。
优选地，第一评估电路包括R电路，以及第二评估电路包括R-C电路。低动态载荷变化由R电路来评估，并被输出为第一输出信号的电压在时间段Δt内的第一变化，以及高动态载荷变化由R-C电路来评估，并被输出为第二输出信号的电压在时间段Δt内的第二变化。由于第一评估电路与第二评估电路之间分隔开，第一换能器和第二换能器在其最优条件下运行。可以同时或者相继地测量低动态载荷变化和高动态载荷变化。
根据本发明的优选实施例，评估单元包括中央处理单元。输出电路在工作状态下直接地或者无线地耦合到中央处理单元。输出电路可以经由无线通信(诸如，蓝牙、无线局域网或者红外线)连接到智能手机、个人计算机或者任意其它电子设备，并且发送经处理的第一电气输出信号和第二电气输出信号。对于指示人在奔跑、步行或者跳跃时适当的(健康的)足部载荷的运动员监测而言，这可以特别地有利。
附图说明
现在参考附图以举例的方式描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是根据本发明的第一优选实施例的传感器装置的鞋子镶嵌物组件的示意图。
图2是根据本发明的第一优选实施例的传感器元件的横截面视图。
图3是根据本发明的第二优选实施例的传感器装置的鞋子镶嵌物组件的示意图。
图4是根据本发明的第二优选实施例的传感器元件的横截面视图。
图5是根据本发明的第三优选实施例的传感器装置的鞋子镶嵌物组件的示意图。
图6是根据本发明的第三优选实施例的第三传感器元件的横截面视图。
图7是人步行时在1秒的时间段内施加在传感器装置上的同时被记录的高动态载荷变化和低动态载荷变化的记录。
图8是人奔跑时在1秒的时间段内施加在传感器装置上的同时被记录的高动态载荷变化和低动态载荷变化的记录。
图9是人在跳跃后落地时在1秒的时间段内施加在传感器装置上的同时被记录的高动态载荷变化和低动态载荷变化的记录。
图10是人跺脚时在1秒的时间段内施加在传感器装置上的同时被记录的高动态载荷变化和低动态载荷变化的记录。
图11是一个传感器装置的不同部件的示意性设置。
具体实施方式
将参考附图描述的本发明的特别有利但并非限制性的实施例涉及一种对施加在其上的载荷进行测量的换能器装置，该换能器装置被具体化为鞋子镶嵌物。出于运动员检测，可以将鞋子镶嵌物插入运动鞋中，以测量适当的足部载荷状态相对于运动表现(诸如，穿着该运动鞋的人的速度、距离或/和加速度)。替代地，可以将换能器装置直接设置在鞋底上或者鞋底中。换能器装置将多个阶段内施加在换能器元件上的载荷变化转换为电气输出信号。对于每一个换能器元件，施加于其上的载荷被转换为两个电气输出信号。
在图1的实施例中，多个换能器元件4、换能器元件10、换能器元件20、换能器元件30被设置在公共载体箔2上，以使得它们覆盖具有最大载荷变化的足部区域。载体箔2具有与足的接触表面类似的形状，并且由柔韧的电气绝缘材料的膜制成。一个换能器元件4被设置在足的脚趾区域，两个换能器元件10、换能器元件20被设置为靠近足的中间部分(跖骨连接到趾骨的地方)，并且一个换能器元件30被设置为靠近足的足跟区域。除了换能器元件4、换能器元件10、换能器元件20、换能器元件30以外，其它换能器元件可以用于其中鞋子的需要对载荷变化进行精确测量的其它区域。为了应对足部解剖中的人体测量变化，每一个换能器元件4、换能器元件10、换能器元件20、换能器元件30优选地为包含具有半径为6mm的圆角的椭圆形，并且每一个换能器元件4、换能器元件10、换能器元件20、换能器元件30都具有20mm的宽度以及30mm的长度。换能器元件4、换能器元件10、换能器元件20、换能器元件30都非常薄，并且因此可以被设置在鞋子内而不妨碍穿着该鞋子的人。
在下文中将利用底部和顶部的定义来描述图1到图6中所示的换能器元件的层设置。顶部层是指与人的足所接触的表面最接近的层，而底部层是指与鞋底最接近的层。出于可理解性，增加了顶部和底部的定义，并且顶部和底部的定义不被认为限制本发明的范围。由于换能器元件对载荷变化进行测量，所以应当认为，当换能器元件翻转(turn-over)时其产生类似的结果是显而易见的。
如附图中所示的换能器装置特别地有利，因为其能够分别捕获高动态载荷变化和低动态载荷变化。因此换能器元件中的每一个换能器元件都包括用于测量低动态载荷变化的第一换能器，以及用于测量高动态载荷变化的第二换能器。可以通过利用两个单独的评估电路来对高动态载荷变化和低动态载荷变化进行评估。一个评估电路关联到第一换能器，而一个评估电路关联到第二换能器。
根据此后提及的换能器装置的三个有利的实施例将第一换能器与第二换能器组合。根据图1和图2中的第一换能器装置，第二换能器被设置在第一换能器的顶部上。在第二实施例(图3和图4中所示)中，由第二换能器来部分地替代第一换能器的间隔体。在图5和图6中的第三实施例中，利用第二换能器来替代第一换能器的底部载体箔。
第一换能器6、第一换能器12、第一换能器22、第一换能器32是具有位于底部的第一载体箔42的箔型压力传感器，第一载体箔42对应于图1中的第一载体箔2。第一电极44被施加到第一载体箔42上。诸如力传感电阻材料之类的压力敏感材料46被设置在第一载体箔42的顶部表面。压力敏感材料46将第一电极44与第二电极48分隔开。第二电极48被施加到第二载体箔50上，第二电极48面向第一电极44。间隔体66、间隔体68例如由海绵材料或者聚合物膜材料制成，周向地设置在第一换能器的有效区域周围，以使第一载体箔42与第二载体箔50保持一定的距离。响应于作用在第一换能器的有效区域上的低动态载荷变化，第一载体箔42向第二载体箔50靠近，并且第一电极44与第二电极48之间的电阻改变。此电阻优选由第一评估电路来测量，该第一评估电路经由引线52、引线54操作地连接到第一电极44和第二电极48。
根据第一换能器装置，第二换能器8、第二换能器14、第二换能器24、第二换能器34被设置在第一换能器6、第一换能器12、第一换能器22、第一换能器32的顶部。图2中的第二换能器包括具有准永久静电偶极子的驻极体材料60。驻极体材料60被设置在阳极56与阴极58之间的有效区域中。阳极56和阴极58分别经由引线64和引线62操作地连接到第二评估电路。如果载荷被施加到图1中的换能器元件4上，那么驻极体材料的电容以及跨压力敏感材料的电极之间的电阻发生变化。第一评估电路测量电极之间的电阻变化。驻极体材料的电容变化由第二评估电路来测量。
类似于换能器装置的第一实施例，如图3中所示的换能器装置的第二实施例包括四个换能器元件104、换能器元件110、换能器元件120、换能器元件130，它们被设置在具有最大载荷变化的区域中的第一换能器的底部载体箔102上。每一个换能器元件包括第一实施例的第一换能器和部分地替代间隔体的第二换能器。图4是换能器元件104、换能器元件110、换能器元件120、换能器元件130中的一个换能器元件的横截面视图。第二换能器包括被设置在阳极156与阴极158之间的驻极体160。引线154和引线152操作地将箔电极144、箔电极148连接到第一评估电路。第一换能器的间隔体由周向驻极体160部分地替代，周向驻极体160被设置在电极箔144、电极箔148与阳极156、阴极158之间。第二换能器具有与第一换能器的间隔体151、间隔体153大致相同的厚度。引线162、引线164操作地将阴极158和阳极156连接到第二评估电路。
如图5中所示的换能器装置的第三实施例包括具有四个第一换能器206、第一换能器212、第一换能器224、第一换能器232以及一个公共的第二换能器208的换能器元件。第二换能器具有与足的接触表面类似的形状，并且承载着四个第一换能器。第二换能器替代第一换能器的第一载体箔。引线262、引线264将阳极256和阴极258连接到第二评估电路。电极244、电极248中的每一个电极都经由引线252、引线254操作地连接到第二评估电路。第一换能器206、第一换能器212、第一换能器224、第一换能器232的尺寸等于本发明的第一优选实施例和第二优选实施例的换能器元件4、换能器元件10、换能器元件20、换能器元件30、换能器元件104、换能器元件110、换能器元件120、换能器元件130的尺寸。
用于本发明的这三个实施例中的每一个实施例的第一评估电路和第二评估电路有必要区分陆地上的人的不同形式的运动，例如跳跃、步行、奔跑和跺脚。在可能的实施例中，第一换能器作为电阻器被集成到R电路中。R电路的电压由第一评估电路测量，并且作为第一输出信号被输出至输出电路。通过将载荷施加到第一换能器上，第一载体箔和第二载体箔被压在一起，并且跨力传感电阻材料的电阻发生变化。由于基于箔的力传感电阻器仅能够可靠地测量静态载荷变化或者准静态载荷变化，所以电压的第一变化与施加到第一换能器的有效区域上的准静态载荷成比例。
第二评估电路通过测量驻极体材料的电容变化来仅检测高动态载荷变化。因此，第二换能器元件作为电容器被集成到RC电路中。RC电路的电压由第二评估电路来测量，并且作为第二输出信号被输出到输出电路。驻极体材料具有准永久电荷或者偶极子极化。当施加到驻极体上的载荷发生变化时，阳极与阴极之间的距离发生变化。这种距离变化会导致电容变化，通过测量第二输出电路的电压来监测该电容变化。
在图7至图10中，输出电路同时监测1s的时间段Δt内的第一输出信号302、第一输出信号402、第一输出信号502、第一输出信号602以及第二输出信号304、第二输出信号404、第二输出信号504、第二输出信号604。每一个图对应于人在进行特定活动时施加到换能器装置的一个换能器元件上的载荷变化。
图7中的第一输出信号302和第二输出信号304对应于当人在步行时由人施加到换能器元件上的载荷变化。
图8中的第一输出信号402和第二输出信号404对应于当人在奔跑时由人施加到换能器元件上的载荷变化。
图9中的第一输出信号502和第二输出信号504对应于当人在跳跃后落地时由人施加到换能器元件上的载荷变化。
图10中的第一输出信号602和第二输出信号604对应于当人在跺脚时由人施加到换能器元件上的载荷变化。
对于每一个载荷变化，第一输出信号302、第一输出信号402、第一输出信号502、第一输出信号602的电压与第二输出信号304、第二输出信号404、第二输出信号504、第二输出信号604的电压不同。与第一换能器(具有相对应的第一输出信号302、第一输出信号402、第一输出信号502、第一输出信号602)相比，第二换能器(具有相对应的第二输出信号304、第二输出信号404、第二输出信号504、第二输出信号604)具有较短的反应时间。第一输出信号与第二输出信号的组合通过提供补充的动态足底载荷信息和静态足底载荷信息以进行进一步的分析来增强传感能力。如图11所示，可以通过中央处理单元来处理第一输出信号702和第二输出信号704。在此优选实施例中，经由蓝牙706将输出电路的第一输出信号和第二输出信号传送至CPU。
对于三种不同的载荷变化，第一输出信号402、第一输出信号502、第一输出信号602的电压随着时间的变化相当类似。因此，在不考虑低动态载荷变化的情况下，难以将输出信号中的每一个输出信号分配给载荷变化中的一个载荷变化。此外，第二输出信号504、第二输出信号604主要包括短持续时间的峰值，并且因而难以关联到一个特定的载荷变化。由于除了低动态载荷变化之外还测量了高动态载荷变化，所以本发明特别地有利。每一个载荷变化是第一输出信号与第二输出信号的组合。通过将第一输出信号与第二输出信号组合，可以更加精确地测量载荷变化。
附图标记：
2，102，42 第一载体箔
50，150，250 第二载体箔
4，10，20，30，104，110，120，130，204 换能器元件
6，12，22，32，206，212，224，232 第一换能器
8，14，24，34，208 第二换能器
44，144，244 第一电极
48，148，248 第二电极
46，146，246 压力敏感材料
66，68 间隔体
56，156，256 阳极
58，158，258 阴极
60，160，260 基于驻极体的材料或基于压电效应的材料
52，54，62，64，152，154，162，164，252，254，262，264 电引线
302，402，502，602，702 第一输出信号
304，404，504，604，704 第二输出信号
706 无线连接
Claims (9)
1.一种用于将载荷变化转换为一个或多个电气输出信号的换能器装置，所述换能器装置包括：
至少一个换能器元件，以及
评估单元，所述评估单元操作地连接到所述换能器元件，
其特征在于：
所述换能器元件包括第一换能器与第二换能器的组合，
所述评估单元包括：
第一评估电路，所述第一评估电路关联到用于将静态载荷变化或者准静态载荷变化转换为第一电气输出信号的所述第一换能器，
第二评估电路，所述第二评估电路关联到用于将高动态载荷变化转换为第二电气输出信号的所述第二换能器，以及
输出电路，所述输出电路操作地连接到所述第一评估电路和所述第二评估电路，所述输出电路用于输出所述第一电气输出信号或/和所述第二电气输出信号。
2.根据权利要求1所述的换能器装置，其中，所述第一换能器或/和所述第二换能器是基于箔的。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的换能器装置，其中，所述第一换能器是箔型压力传感器，包括：
第一载体箔，
第二载体箔，所述第二载体箔通过一个或多个间隔体与所述第一载体箔隔离，所述一个或多个间隔体被设置在所述第一载体箔与所述第二载体箔之间，以及
至少两个电极和压力敏感材料层，所述至少两个电极和所述压力敏感材料层被设置在所述第一换能器的有效区域中，所述压力敏感材料连接第一电极和第二电极；
其中，响应于作用在所述有效区域上的低动态载荷变化，所述第一载体箔向所述第二载体箔靠近，改变所述第一电极与所述第二电极之间所测量的电阻。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的换能器装置，其中，所述第二换能器是基于驻极体的压力传感器或者压电式压力传感器，所述基于驻极体的压力传感器或者所述压电式压力传感器包括传感箔。
5.根据权利要求1或2中的任一项所述的换能器装置，其中，所述第一换能器和所述第二换能器被设置为一个在另一个上方。
6.根据权利要求3所述的换能器装置，其中，所述第一载体箔或/和所述第二载体箔包括传感箔。
7.根据权利要求3所述的换能器装置，其中，所述一个或多个间隔体包括传感箔。
8.根据权利要求1或2中的任一项所述的换能器装置，其中，所述第一评估电路包括R电路，以及所述第二评估电路包括R-C电路：
低动态载荷变化由所述R电路评估，并且被输出为所述第一电气输出信号的电压在时间段Δt内的第一变化，以及
所述高动态载荷变化由所述R-C电路评估，并且被输出为所述第二电气输出信号的电压在所述时间段△t内的第二变化。
9.根据权利要求1或2中的任一项所述的换能器装置，其中，所述评估单元包括中央处理单元，所述输出电路在工作状态下直接地或者无线地耦合到中央处理单元，所述中央处理单元处理所述第一电气输出信号和所述第二电气输出信号。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LU92205A LU92205B1 (en) | 2013-05-29 | 2013-05-29 | Transducer arrangement for measuring load variations |
| LULU92205 | 2013-05-29 | ||
| PCT/EP2014/060327 WO2014191255A1 (en) | 2013-05-29 | 2014-05-20 | Transducer arrangement for measuring load variations |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105264349A CN105264349A (zh) | 2016-01-20 |
| CN105264349B true CN105264349B (zh) | 2017-03-15 |
Family
ID=48808468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201480030781.7A Active CN105264349B (zh) | 2013-05-29 | 2014-05-20 | 用于测量载荷变化的换能器装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9435700B2 (zh) |
| CN (1) | CN105264349B (zh) |
| DE (1) | DE112014002635B4 (zh) |
| LU (1) | LU92205B1 (zh) |
| WO (1) | WO2014191255A1 (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105509948B (zh) * | 2015-11-30 | 2017-12-19 | 北京理工大学 | 一种基于驻极体的无源冲击力学传感器及其测试方法 |
| CN105547553B (zh) * | 2015-12-15 | 2018-06-05 | 北京理工大学 | 基于压电驻极体的无源高灵敏冲击力传感器及其测试方法 |
| DE102018203430A1 (de) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Voestalpine Stahl Gmbh | Flächenelektrobauteil und verfahren zur herstellung |
| EP3802018A1 (fr) * | 2018-06-01 | 2021-04-14 | Touchless Development GmbH | Dispositif pour manipulation d'objet sans contact |
| CN109100070A (zh) * | 2018-09-27 | 2018-12-28 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种传感器及检测触觉信号的方法 |
| CN111462482A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-07-28 | 杭州电子科技大学 | 基于驻极体压力传感器的交通信息测控系统及测控方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101069076A (zh) * | 2004-12-03 | 2007-11-07 | Iee国际电子工程股份公司 | 制造传感垫的方法 |
| CN101223427A (zh) * | 2005-07-11 | 2008-07-16 | Iee国际电子工程股份公司 | 箔片型压力传感器 |
| CN201740611U (zh) * | 2010-03-31 | 2011-02-09 | 西安工程大学 | 鞋垫式压力传感器 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3201983A (en) * | 1961-09-05 | 1965-08-24 | Goodman Mfg Co | Dynamically compensated force measuring apparatus |
| DE2460450A1 (de) * | 1974-12-20 | 1976-06-24 | Daimler Benz Ag | Verfahren und vorrichtung zur regelung der bremskraft an den raedern von anhaengern |
| DE3912144C2 (de) * | 1989-04-13 | 1998-09-17 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und Vorrichtung zur Achslastbestimmung eines Fahrzeugs |
| JP2761574B2 (ja) * | 1994-07-06 | 1998-06-04 | 工業技術院長 | 力補助装置の制御方法及びその装置 |
| US8050780B2 (en) * | 2001-11-06 | 2011-11-01 | Claude Tessier | Apparatus and method for controlling a force-activated controller |
| US7726206B2 (en) * | 2006-11-02 | 2010-06-01 | The Regents Of The University Of California | Foot pressure alert and sensing system |
| DE102007015180A1 (de) | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Siemens Ag | Kraftmesszelle, Kontaktkraftmesseinrichtung und Verfahren zur Messung einer Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer und einer Stromleitung |
| CN102143695A (zh) * | 2008-06-13 | 2011-08-03 | 耐克国际有限公司 | 具有传感器系统的鞋 |
| US9504471B2 (en) * | 2013-09-25 | 2016-11-29 | Cybersonics, Inc. | Ultrasonic generator systems and methods |
-
2013
- 2013-05-29 LU LU92205A patent/LU92205B1/xx active
-
2014
- 2014-05-20 CN CN201480030781.7A patent/CN105264349B/zh active Active
- 2014-05-20 US US14/893,891 patent/US9435700B2/en active Active
- 2014-05-20 WO PCT/EP2014/060327 patent/WO2014191255A1/en active Application Filing
- 2014-05-20 DE DE112014002635.2T patent/DE112014002635B4/de active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101069076A (zh) * | 2004-12-03 | 2007-11-07 | Iee国际电子工程股份公司 | 制造传感垫的方法 |
| CN101223427A (zh) * | 2005-07-11 | 2008-07-16 | Iee国际电子工程股份公司 | 箔片型压力传感器 |
| CN201740611U (zh) * | 2010-03-31 | 2011-02-09 | 西安工程大学 | 鞋垫式压力传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9435700B2 (en) | 2016-09-06 |
| WO2014191255A1 (en) | 2014-12-04 |
| DE112014002635T5 (de) | 2016-03-17 |
| DE112014002635B4 (de) | 2023-06-07 |
| US20160116352A1 (en) | 2016-04-28 |
| CN105264349A (zh) | 2016-01-20 |
| LU92205B1 (en) | 2014-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105264349B (zh) | 用于测量载荷变化的换能器装置 | |
| CN104729769B (zh) | 基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器 | |
| CN102308270B (zh) | 电容式接近触觉传感器 | |
| KR101191800B1 (ko) | 걸음걸이 진단을 위한 신발 깔창 | |
| KR101502762B1 (ko) | 나노섬유 웹을 이용한 하이브리드 압력센서 | |
| CN104161529B (zh) | 足底压力分布检测系统及其制作方法 | |
| KR101530225B1 (ko) | 나노섬유 웹을 이용한 하이브리드 압력센서가 구비된 스마트 슈즈 시스템 | |
| US20150018721A1 (en) | Pressure monitoring shoe | |
| CN105266257A (zh) | 基于全足压力信息获取的智能鞋 | |
| WO2013182633A1 (en) | Pressure sensor, e.g. in sole for an article of footwear | |
| KR20150140328A (ko) | 위치 시그널링에 의한 압전 발생 | |
| US20230228630A1 (en) | Shear and normal force sensors, and systems and methods using the same | |
| CN112120702A (zh) | 柔性足底压力检测装置、鞋 | |
| CN106768508A (zh) | 一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器及方法 | |
| CN108433734B (zh) | 一种离散阈值式足底压力传感装置 | |
| Corbellini et al. | Low-cost wearable measurement system for continuous real-time pedobarography | |
| CN203059714U (zh) | 足底压力分布测量系统 | |
| Beigh et al. | Machine learning enabled hind foot deformity detection using individually addressable hybrid pressure sensor matrix | |
| US10132646B1 (en) | Measuring device for ambulation data | |
| CN115804586A (zh) | 一种平板式足底压力检测系统 | |
| CN113951871B (zh) | 一种足底压力检测系统 | |
| Muzaffar et al. | Piezoresistive sensor array design for shoe-integrated continuous body weight and gait measurement | |
| WO2019073104A1 (en) | DEVICE, METHOD, COMPUTER PROGRAM PRODUCT, AND APPARATUS FOR MEASURING PRESSURE DISTRIBUTION BETWEEN A FOOT AND A SURFACE | |
| CN103006243A (zh) | 足底压力分布测量系统 | |
| CN113995402A (zh) | 基于机器学习的足压监测方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |