CN105725982A - 一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫 - Google Patents

一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫 Download PDF

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张亚文
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Abstract

本发明提供了一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，包括鞋垫本体，鞋垫本体内部铺设有用于检测鞋底温度的裸光纤光栅和用于检测鞋底压力的光纤光栅压力传感器封装结构，终端设备通过信号采集仪连接裸光纤光栅和光纤光栅压力传感器封装结构，实时监测鞋底温度、压力数据。由于裸露的光纤光栅压力灵敏度系数较小，信号检测不便，于是对光纤光栅压力传感器进行封装，封装后的光纤光栅压力传感器固定在鞋垫的不同位置，光纤光栅温度传感器直接裸露即可。本发明提供的鞋垫基于布拉格光纤光栅传感原理，可以实时、准确地检测人静态与动态状态下脚底压力和温度的变化情况，制作简单、成本低，传感器尺寸小，精度高，同时不影响穿着的舒适度。

Description

一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫
技术领域
本发明涉及一种能够测试鞋底温度、压力的鞋垫，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的、用定量的方式客观快速地测试鞋底温度和压力的鞋垫，属于光纤传感技术领域。
背景技术
任何步行动作都要通过人体足部与地面的相互作用完成，通过对足底力学分布特征分析可揭示人体步态规律，利用这些信息可对生理疾病做出合理的预测和解释。针对研究人员对于足部功能、步态、足部矫具功能设计等主题的检测或研发，鞋垫压力测试鞋垫可以提供相关生物力学参数并帮助了解足部以及步态如何进行运作。近年来，关于鞋底压力的研究越来越多，其中包括基于F-Scan鞋底压力测量系统以及基于PVDF(Polyvinylidenefluoride，聚偏氟乙烯)压电薄膜的智能压力测试鞋垫的研究。常见的足底压力测量仪器有三种：测力台、测力板和测力鞋垫。三种测试系统各有优点。测力台可以测量三维方向的足底压力，精确度高，数据可靠，能测量前后、左右和垂直方向上的三维受力，缺点是具有一定的电延迟性，不利于进行动态和实时测量和评价，不能精确测量足底压力分布；测力板可以测量多种数据如：各点的压力、平均压力、接触面积以及压力中心轨迹等，不足之处在于只能测量一维数据，其测得数据的精度和准确度稍逊于测力台；测力鞋垫更灵活，不受测试运动范围和地点的限制。
专利CN202096210U中采用薄膜压阻型压力传感器，其需要通过柔软凸点与顶层纤维连接固定，才能获得与压力对应的电阻信号，且引线需要焊接。专利CN2057062U公开了一种足底压力测试鞋垫，压力敏感单元为铁片衬片夹持压敏传感器的三明治结构，牺牲了鞋垫本身的穿戴舒适性；并且，这类结构因鞋垫、传感器封装材料和敏感单元本身材料三者之间的差异性大，相互之间易发生滑移，影响测试结果稳定性。专利CN102770742A利用力敏电阻材料的电阻式压力传感器，导致透气性差，同时成品过厚，若长期使用，舒适度会大大下降。
现有的足底压力测量仪器大都为单点测量，且体积较大，难以满足测量要求。使用PVDF压电薄膜或应变片作为传感元件，其引线易脱落，结构简单，功能单一。而压敏电阻材料的电阻式压力传感器，灵敏度低，成品过厚影响穿着，不利于长期测试；少数基于压电式传感器的足底压力测试鞋垫，封装材料和结构设计不合理，稳固性不好。为了解决上述问题，同时又因为裸光纤光栅对温度变化的灵敏度较高，所以可以利用裸光栅光纤测得脚底的温度变化，本申请设计了一款新型压力和温度测试鞋垫。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，性能可靠，能够方便、灵敏、实时地监测鞋底温度和压力，同时不影响穿着舒适度的鞋垫。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：包括鞋垫本体，鞋垫本体内部铺设有用于检测鞋底温度的裸光纤光栅和用于检测鞋底压力的光纤光栅压力传感器封装结构，终端设备通过信号采集仪连接裸光纤光栅和光纤光栅压力传感器封装结构，实时监测鞋底温度、压力数据。
优选地，所述鞋垫本体为双层结构，所述裸光纤光栅和所述光纤光栅压力传感器封装结构铺设于双层鞋垫本体之间。
优选地，首先制作两个鞋垫本体，在鞋垫本体上标记好裸光纤光栅和光纤光栅压力传感器封装结构的放置位置，然后根据光纤光栅压力传感器封装结构的大小挖好孔洞，根据裸光纤光栅的大小挖好槽，再将光纤光栅压力传感器封装结构放在相应的孔洞里，将裸光纤光栅放在相应的槽内，最后将两个鞋垫本体复合在一起。
更优选地，所述光纤光栅压力传感器封装结构为多个，固定在所述鞋垫本体内的不同位置，且串联设置。
进一步地，各所述光纤光栅压力传感器封装结构串联连接的走线也设于沟槽内。
更优选地，两个所述鞋垫本体用胶水复合在一起。
优选地，所述光纤光栅压力传感器封装结构是将裸光纤的光栅区封装在凝固胶水内构成。
更优选地，所述光纤光栅压力传感器封装结构的具体制作方法如下：
第一步、将环氧树脂和凝固剂混合，搅拌均匀后静止放置；
第二步、干净的长方体的模具，长方体两侧设有孔洞，将裸光纤穿过长方体两侧的孔洞，使裸光纤的光栅区放置在长方体内部；
第三步、放置好的裸光纤给予张力固定好，然后将第一步制成的混合胶水倒入长方体的模具里，待混合胶水干透后去除模具，即制成所述光纤光栅压力传感器封装结构。
进一步地，所述第一步中，环氧树脂和凝固剂两者按3∶1的比例混合。
进一步地，所述长方体长度比光栅区大，可以把光栅区全部封装在混合胶水里。
本发明基于布拉格光纤光栅传感原理，结合布拉格光纤光栅传感器测量体积小、灵敏度高、分辨率高、简单方便、实时监测、可采集高频信号等特点，开发了鞋底温度、压力测试鞋垫。由于裸露的光纤光栅压力灵敏度系数较小，给信号检测带来了不便，于是对光纤光栅压力传感器进行封装，封装后的光纤光栅压力传感器固定在鞋垫的不同位置，光纤光栅温度传感器直接裸露即可。
本发明提供的鞋垫可以实时、准确地检测人静态与动态状态下脚底压力和温度的变化情况，制作简单、成本低，传感器尺寸小，精度高，同时不影响穿着的舒适度。
附图说明
图1为光纤光栅压力传感器封装结构俯视图；
图2为光纤光栅压力传感器封装结构主视图；
图3为基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫测试系统示意图；
图4为本实施例中所记录的压力标定图；
图5为本实施例中所记录的温度标定图。
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。
光纤光栅具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小、稳定性好等优点。裸露的光纤光栅温度灵敏度好，但是裸露的光纤光栅压力灵敏度系数较小，给信号检测带来了不便，制约了光栅在压力测量中的应用。因此，提高压力灵敏度及对光纤光栅的保护是使光纤光栅进入实用化测量需解决的关键技术。
本实施例中，对光纤光栅压力传感器进行封装，利用一个没盖小长方体模具，其两侧有空洞，裸光纤可以横穿过去，将裸光纤布拉格光栅沿水平方向封装于细长水平立方体中，传输光纤两端伸出模具。
结合图1和图2，上述的光纤光栅压力传感器封装结构的具体制作方法如下：
第一步、环氧树脂和凝固剂两者按3∶1的比例混合，搅拌均匀后静止放置半小时。
第二步、干净的长方体的模具2，两侧有孔洞，将裸光纤1穿过孔洞，并使裸光纤的光栅区4放置在长方体内，长方体长度比光栅区4稍稍大一点。
第三步、放置好的裸光纤1给予一定的张力固定好(预拉应变约3000)，然后将第一步制成的混合的胶水3倒入长方体的模具2里，长方体长度比光栅区4稍稍大一点，可以把光栅区全部封装在透明的胶水里；待混合胶水干24小时后去除模具2，即制成光纤光栅压力传感器封装结构。
为了达到测试鞋底压力的目的，利用制作好的光纤光栅压力传感器封装结构铺展在鞋垫里，如图3所示，具体方法如下：
第一步、鞋垫采用两层，先剪好两个鞋垫本体10，然后标记好传感器放置位置，根据所制备的光纤光栅压力传感器封装结构的大小挖好孔洞，根据裸光纤光栅的大小挖好槽，然后将用于测压力的光纤光栅压力传感器封装结构30放在相应的孔洞里，用于测温度的裸光纤光栅20放在相应的槽内，将两个鞋垫本体用胶水复合在一起。本实施例中，各光纤光栅压力传感器封装结构30串联设置，连续分布在鞋垫本体10内部，传感器尺寸小，精度高，有传感器的地方挖长方形的孔洞，走线放在小型沟槽里。
第二步、将制备好的鞋垫放在鞋子里，压力传感器和温度传感器的引线端口分别连接信号采集仪40上的不同插孔，信号采集仪40连接终端设备50(电脑或手机等)，终端设备50上安装有鞋底温度、压力数据处理系统，登录该系统，即可开始测试。
第三步、电脑终端50上实时监测压力传感器和温度传感器的数据，并显示波形图。利用砝码施加压力进行试验，图4为本实施例中所记录的压力标定图，即波长与所施加在传感器上的砝码质量(可转算成压力)的关系图，可以看出传感器波长随着砝码质量的增加而线性增加。图5为本实施例中所记录的温度标定图，即光纤传感器的波长随温度变化的关系，可以看出波长温度关系的线性度非常好。图4和图5的传感器结果可用来换算传感器感应到的压力和温度的大小。
本发明基于布拉格光纤光栅传感原理，结合布拉格光纤光栅传感器测量体积小、灵敏度高、分辨率高、简单方便、实时监测、可采集高频信号等特点，开发了鞋底温度、压力测试鞋垫。封装后的光纤光栅压力传感器固定在鞋垫的不同位置，可以检测人静态与动态状态下脚底压力和温度的变化情况。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：包括鞋垫本体(10)，鞋垫本体(10)内部铺设有用于检测鞋底温度的裸光纤光栅(20)和用于检测鞋底压力的光纤光栅压力传感器封装结构(30)，终端设备(50)通过信号采集仪(40)连接裸光纤光栅(20)和光纤光栅压力传感器封装结构(30)，实时监测鞋底温度、压力数据。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：所述鞋垫本体(10)为双层结构，所述裸光纤光栅(20)和所述光纤光栅压力传感器封装结构(30)铺设于双层鞋垫本体(10)之间。
3.如权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：首先制作两个鞋垫本体(10)，在鞋垫本体(10)上标记好裸光纤光栅(20)和光纤光栅压力传感器封装结构(30)的放置位置，然后根据光纤光栅压力传感器封装结构(30)的大小挖好孔洞，根据裸光纤光栅(20)的大小挖好槽，再将光纤光栅压力传感器封装结构(30)放在相应的孔洞里，将裸光纤光栅(20)放在相应的槽内，最后将两个鞋垫本体(10)复合在一起。
4.如权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：所述光纤光栅压力传感器封装结构(30)为多个，固定在所述鞋垫本体(10)内的不同位置，且串联设置。
5.如权利要求4所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：各所述光纤光栅压力传感器封装结构(30)串联连接的走线也设于沟槽内。
6.如权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：两个所述鞋垫本体(10)用胶水复合在一起。
7.如权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：所述光纤光栅压力传感器封装结构是将裸光纤的光栅区封装在凝固胶水内构成。
8.如权利要求1或7所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：所述光纤光栅压力传感器封装结构(30)的具体制作方法如下：
第一步、将环氧树脂和凝固剂混合，搅拌均匀后静止放置；
第二步、干净的长方体的模具(2)，长方体两侧设有孔洞，将裸光纤(1)穿过长方体两侧的孔洞，使裸光纤(1)的光栅区(4)放置在长方体内部；
第三步、放置好的裸光纤(1)给予张力固定好，然后将第一步制成的混合胶水(3)倒入长方体的模具(2)里，待混合胶水(3)干透后去除模具(2)，即制成所述光纤光栅压力传感器封装结构(30)。
9.如权利要求8所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：所述第一步中，环氧树脂和凝固剂两者按3∶1的比例混合。
10.如权利要求8所述的一种基于光纤传感技术的鞋底温度、压力测试鞋垫，其特征在于：所述长方体长度比光栅区(4)大，可以把光栅区(4)全部封装在混合胶水(3)里。
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