CN108645554B - 一种力分布测量装置的测量方法 - Google Patents

一种力分布测量装置的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种力分布测量装置及测量方法，其特征是由平板和四个结构相同且两两在一个水平线上的支撑梁构成，每个支撑梁上设有两个弹性体，两个弹性体是分处在沿着支撑梁的长度方向的不同位置上；在测力装置上建立三维坐标系，平板为矩形平板或为圆形平板，支撑梁设置在平板的底面用于对平板形成支撑，在各支撑梁的表面，对应于各弹性体所在位置粘贴应变片，利用应变片的检测信号测量力的分布，能够获得作用在平板上两个法向力的大小和位置，将其应用于足底力测量中，能够更加准确地获得足底力的分布，以此判断人的健康状态。

Description

一种力分布测量装置的测量方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体是指力分布测量装置及测量方法。
背景技术
目前压力分布测量传感器的主要测量方法是在一个平面上黏附多个微小的压力传感器来确定表面压力的分布情况。其中的典型代表有采用电容传感技术的压力测量系统、采用压阻传感技术的压力分布测量系统，以及采用了压电电阻压力传感技术的压力测试系统，这些均是采用成千个微小压力传感器组成，每个传感器单元只能测一个法向力的大小，测量精度是由传感器单元的数量、传感器单元的面积以及传感器单元的布置位置所决定的，精度越高，微小压力传感器单元面积越小，成本更高。这类传感器可靠性差，使用寿命短。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种力分布测量装置及测量方法，以期能够通过测量获得作用在平板上一个或两个法向力的大小和位置。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明力分布测量装置的结构特点是：所述测量装置是由平板和四个结构相同且两两在一个水平线上的支撑梁构成，每个支撑梁上设有两个弹性体，所述两个弹性体是分处在沿着支撑梁的长度方向的不同位置上，令：处在支撑梁首端一侧的弹性体为首端弹性体，处在支撑梁末端一侧的弹性体为末端弹性体；所述平板为矩形平板，在所述测力装置上建立的三维坐标系是以矩形平板的底面的中心点为坐标原点，沿矩形平板的长度方向为X向，沿矩形平板的宽度方向为Y向，沿矩形平板的厚度方向为Z向；所述平板或为圆形平板，在所述测力装置上建立的三维坐标系是以圆形平板的底面的中心点为坐标原点，任一径向定义X向，另一径向且垂直于X向为Y向；沿平板的厚度方向为Z向；支撑梁设置在平板的底面用于对平板形成Z向支撑；各支撑梁的首端与平板固定连接，支撑梁的末端作为所述测量装置的支撑点。
本发明力分布测量装置的结构特点也在于：在所述支撑梁上设置通孔，利用所述通孔形成所述弹性体，所述通孔为圆形孔，或为长圆形孔，或为腰形孔。
本发明力分布测量装置的结构特点也在于：针对所述平板为矩形平板，四个支撑梁均沿X向设置，且两两对称分布在平板的两端，处在同一端的两个支撑梁相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称轴相互对称；使四个支撑梁分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第四梁、第一梁、第二梁和第三梁；
以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端弹性体X向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称；
第一梁与第四梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第四梁中末端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中首端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中末端弹性体Y向对称。
本发明力分布测量装置的结构特点也在于：针对所述平板为矩形平板或为圆形平板，四个支撑梁关于平板的中心呈十字对称，第一梁和第二梁分布在X轴向上，第三梁和第四梁分布在Y轴向上；
以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体Y向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称；
本发明力分布测量装置的测量方法的特点是：在各支撑梁的表面按如下位置粘贴应变片：
对应于第一梁上首端弹性体的中心位置，在第一梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R11和R12；对应于第一梁上末端弹性体的中心位置，在第一梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R13和R14；
对应于第二梁上首端弹性体的中心位置，在第二梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R21和R22；对应于第二梁上末端弹性体的中心位置，在第二梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R23和R24；
对应于第三梁上首端弹性体的中心位置，在第三梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R31和R32；对应于第三梁上末端弹性体的中心位置，在第三梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R33和R34；
对应于第四梁上首端弹性体的中心位置，在第四梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R41和R42；对应于第四梁上末端弹性体的中心位置，在第四梁的上表面和下表面一一对应贴有应变片R43和R44；
各应变片均沿支撑梁的长度方向进行设置；所述测量装置的测量方法是：
以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U11；
以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U12；
以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U21；
以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U22；
以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U31；
以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U32；
以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U41；
以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U42；
建立所述检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M；
基于将平板上的作用力等效为一个或两个法向力，按如下方式一和方式二实现力的测量：
方式一：基于将平板上的作用力等效为一个法向力，按如下方式获得所述一个法向力的大小和位置：
系数矩阵C是通过标定获得的3×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，所述等效力向量F由式(1)所表征：
所述检测信号向量M是由在检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中选取的三个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最多选取一个检测信号；
所述检测信号向量M可以是：
式(1)中，Fz为平板上的等效法向作用力，(x，y)是平板上等效法向作用力Fz在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板(2)上的一个法向力的大小和位置分别为：Fz和(x，y)；
方式二：基于将平板上的作用力等效为两个法向力，按如下方式分别获得所述两个法向力的大小和位置：
系数矩阵C是通过标定获得的6×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，所述等效力向量F由式(2)所表征：
所述检测信号向量M是由在检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中选取的六个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最少选取一个检测信号；
所述检测信号向量M可以是：
式中：Fz1和Fz2为平板上两个不同的等效法向作用力，(x1，y1)、(x2，y2)一一对应为等效法向作用力Fz1和等效法向作用力Fz2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过测量能够获得作用在平板上一个或两个法向力的大小和位置，尤其是其通过测量同时获得两个法向力的大小和位置，将其应用于足底力测量中，能够更加准确地获得足底力的分布，以此判断人的健康状态；
2、本发明通过建立精确的物理模型，求解矩阵，得到更加准确力的大小及位置；
3、本发明通过在梁上设置通孔，使应变集中在应变片的检测区域，能极大地提高检测灵敏度。
4、本发明装置结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1所示结构中应变片位置示意图；
图3为本发明中测量装置另一结构示意图；
图4为图3所示结构中应变片位置示意图；
图5为本发明中测量装置又一结构示意图；
图6为图5所示结构中应变片位置示意图；
具体实施方式
参见图1、图3和图5，本实施例中力分布测量装置的结构形式是：测量装置1是由平板2和四个结构相同且两两在一个水平线上的支撑梁3构成，每个支撑梁3上设有两个弹性体，两个弹性体是分处在沿着支撑梁3的长度方向的不同位置上，令：处在支撑梁首端一侧的弹性体为首端弹性体，处在支撑梁末端一侧的弹性体为末端弹性体。
如图1和图2所示，设置平板2为矩形平板，在测力装置1上建立的三维坐标系是以矩形平板的底面的中心点为坐标原点，沿矩形平板的长度方向为X向，沿矩形平板的宽度方向为Y向，沿矩形平板的厚度方向为Z向。
如图5和图6所示，设置平板2为圆形平板，在测力装置1上建立的三维坐标系是以圆形平板的底面的中心点为坐标原点，任一径向定义X向，另一径向且垂直于X向为Y向；沿平板2的厚度方向为Z向。
支撑梁3设置在平板2的底面用于对平板2形成Z向支撑；各支撑梁3的首端与平板2固定连接，支撑梁3的末端作为测量装置的支撑点。
具体实施中，如图1所示、图3和图5所示，可以在支撑梁3上设置通孔4，利用通孔4形成弹性体，通孔4为圆形孔，或为长圆形孔，或为腰形孔；通孔4的设置使应变集中在应变片的检测区域，能极大地提高检测灵敏度。
针对图1和图2所示的平板2为矩形平板，四个支撑梁3均沿X向设置，且两两对称分布在平板2的两端，处在同一端的两个支撑梁3相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称轴相互对称；使四个支撑梁3分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第四梁3d、第一梁3a、第二梁3b和第三梁3c；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端弹性体X向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称；
第一梁与第四梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第四梁中末端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中首端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中末端弹性体Y向对称。
针对如图3和图4所示平板2为矩形平板，或如图5和图6所示的平板2圆形平板，四个支撑梁3关于平板2的中心呈十字对称，第一梁和第二梁分布在X轴向上，第三梁和第四梁分布在Y轴向上；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体Y向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称；
图2、图4和图6示出：为了实现检测，在各支撑梁3的表面按如下位置粘贴应变片：
对应于第一梁3a上首端弹性体的中心位置，在第一梁3a的上表面和下表面一一对应贴有应变片R11和R12；对应于第一梁3a上末端弹性体的中心位置，在第一梁3a的上表面和下表面一一对应贴有应变片R13和R14。
对应于第二梁3b上首端弹性体的中心位置，在第二梁3b的上表面和下表面一一对应贴有应变片R21和R22；对应于第二梁3b上末端弹性体的中心位置，在第二梁3b的上表面和下表面一一对应贴有应变片R23和R24。
对应于第三梁3c上首端弹性体的中心位置，在第三梁3c的上表面和下表面一一对应贴有应变片R31和R32；对应于第三梁3c上末端弹性体的中心位置，在第三梁3c的上表面和下表面一一对应贴有应变片R33和R34。
对应于第四梁3d上首端弹性体的中心位置，在第四梁3d的上表面和下表面一一对应贴有应变片R41和R42；对应于第四梁3d上末端弹性体的中心位置，在第四梁3d的上表面和下表面一一对应贴有应变片R43和R44。
各应变片均沿支撑梁的长度方向进行设置；
本实施例力分布测量装置的测量方法是：
以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U11；
以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U12；
以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U21；
以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U22；
以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U31；
以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U32；
以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U41；
以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U42；
建立检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M；
基于将平板上的作用力等效为一个或两个法向力，按如下方式一和方式二实现力的测量：
方式一：基于将平板上的作用力等效为一个法向力，按如下方式获得一个法向力的大小和位置：
系数矩阵C是通过标定获得的3×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，等效力向量F由式(1)所表征：
检测信号向量M是由在检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中选取的三个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最多选取一个检测信号；
检测信号向量M可以是：
式1中，Fz为平板上的等效法向作用力，x，y是平板上等效法向作用力Fz在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板2上的一个法向力的大小和位置分别为：Fz和x，y；
方式二：基于将平板上的作用力等效为两个法向力，按如下方式分别获得两个法向力的大小和位置：
系数矩阵C是通过标定获得的6×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，等效力向量F由式(2)所表征：
检测信号向量M是由在检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中选取的六个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最少选取一个检测信号；
检测信号向量M可以是：
式中：Fz1和Fz2为平板上两个不同的等效法向作用力，x1，y1、x2，y2一一对应为等效法向作用力Fz1和等效法向作用力Fz2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点。
本实施例中方式二是将力分布测量装置等效为超静定梁，得到加载力的大小及位置与应变的关系，从而精确求解力的状态。

Claims (2)

1.一种力分布测量装置的测量方法，其特征是：所述测量装置(1)是由平板(2)和四个结构相同且两两在一个水平线上的支撑梁(3)构成，每个支撑梁(3)上设有两个弹性体，所述两个弹性体是分处在沿着支撑梁(3)的长度方向的不同位置上，令：处在支撑梁首端一侧的弹性体为首端弹性体，处在支撑梁末端一侧的弹性体为末端弹性体；所述平板(2)为矩形平板，在所述测力装置(1)上建立的三维坐标系是以矩形平板的底面的中心点为坐标原点，沿矩形平板的长度方向为X向，沿矩形平板的宽度方向为Y向，沿矩形平板的厚度方向为Z向；所述平板(2)或为圆形平板，在所述测力装置(1)上建立的三维坐标系是以圆形平板的底面的中心点为坐标原点，任一径向定义X向，另一径向且垂直于X向为Y向；沿平板(2)的厚度方向为Z向；支撑梁(3)设置在平板(2)的底面用于对平板(2)形成Z向支撑；各支撑梁(3)的首端与平板(2)固定连接，支撑梁(3)的末端作为所述测量装置的支撑点；
针对所述平板(2)为矩形平板，四个支撑梁(3)均沿X向设置，且两两对称分布在平板(2)的两端，处在同一端的两个支撑梁(3)相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称轴相互对称；使四个支撑梁(3)分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第四梁(3d)、第一梁(3a)、第二梁(3b)和第三梁(3c)；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：第一梁与第二梁中首端弹性体X向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称；第一梁与第四梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第四梁中末端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中首端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中末端弹性体Y向对称；
设置所述力分布测量装置的测量方法是：在各支撑梁(3)的表面按如下位置粘贴应变片：
对应于第一梁(3a)上首端弹性体的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R11和R12；对应于第一梁(3a)上末端弹性体的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R13和R14；
对应于第二梁(3b)上首端弹性体的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R21和R22；对应于第二梁(3b)上末端弹性体的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R23和R24；
对应于第三梁(3c)上首端弹性体的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R31和R32；对应于第三梁(3c)上末端弹性体的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R33和R34；
对应于第四梁(3d)上首端弹性体的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R41和R42；对应于第四梁(3d)上末端弹性体的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R43和R44；
各应变片均沿支撑梁的长度方向进行设置；所述测量装置的测量方法是：
以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U11；
以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U12；
以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U21；
以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U22；
以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U31；
以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U32；
以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U41；
以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U42；
建立所述检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M；
基于将平板上的作用力等效为一个或两个法向力，按如下方式一和方式二实现力的测量：
方式一：基于将平板上的作用力等效为一个法向力，按如下方式获得所述一个法向力的大小和位置：
系数矩阵C是通过标定获得的3×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，所述等效力向量F由式(1)所表征：
所述检测信号向量M是由在检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中选取的三个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最多选取一个检测信号；
所述检测信号向量M可以是：
式(1)中，Fz为平板上的等效法向作用力，(x，y)是平板上等效法向作用力Fz在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板(2)上的一个法向力的大小和位置分别为：Fz和(x，y)；
方式二：基于将平板上的作用力等效为两个法向力，按如下方式分别获得所述两个法向力的大小和位置：
系数矩阵C是通过标定获得的6×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，所述等效力向量F由式(2)所表征：
所述检测信号向量M是由在检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中选取的六个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最少选取一个检测信号；
所述检测信号向量M可以是：
式中：Fz1和Fz2为平板上两个不同的等效法向作用力，(x1，y1)、(x2，y2)一一对应为等效法向作用力Fz1和等效法向作用力Fz2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点。
2.根据权利要求1所述的力分布测量装置的测量方法，其特征是：在所述支撑梁(3)上设置通孔(4)，利用所述通孔(4)形成所述弹性体，所述通孔(4)为圆形孔，或为长圆形孔，或为腰形孔。
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