CN109443611A - 一种阵列式压力传感器和压力采集系统 - Google Patents

一种阵列式压力传感器和压力采集系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109443611A
CN109443611A CN201811360579.7A CN201811360579A CN109443611A CN 109443611 A CN109443611 A CN 109443611A CN 201811360579 A CN201811360579 A CN 201811360579A CN 109443611 A CN109443611 A CN 109443611A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
column
array
pressure sensor
row
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.)
Pending
Application number
CN201811360579.7A
Other languages
English (en)
Inventor
王墨
王新安
何春舅
陈红英
樊卓宸
马浩
彭晨
张思旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University Shenzhen Graduate School
Original Assignee
Peking University Shenzhen Graduate School
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University Shenzhen Graduate School filed Critical Peking University Shenzhen Graduate School
Priority to CN201811360579.7A priority Critical patent/CN109443611A/zh
Publication of CN109443611A publication Critical patent/CN109443611A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/1036—Measuring load distribution, e.g. podologic studies
    • A61B5/1038—Measuring plantar pressure during gait

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

一种用于足压采集的阵列式压力传感器和压力采集系统，由于阵列式压力传感器的同行压力感应点共用行引出导线，同列压力感应点共用一个列引出导线，并采用对行导线和列导线分开双面布线，使得阵列式压力传感器减少了导线引线数目和导线引线布线密度，降低了大尺寸阵列式压力传感器的设计难度，进而满足增大压力感应面积的同时保证采样的空间分辨率和采样率。本申请还公开了基于本实施例中的阵列式压力传感器设计的压力采集系统，对阵列式压力传感器采用分行、分列和分时采样的方法进行采样，实现在自然行走状态下对足压数据的采集，同时也保证压力采集系统的准确性和稳定性。

Description

一种阵列式压力传感器和压力采集系统
技术领域
本发明涉及压力测量领域，具体涉及一种阵列式压力传感器和压力采集系统。
背景技术
足底压力是指日常运动活动中，人体足部和支撑表面之间作用的压力场。由于人体足底的结构的特征，人体在踩下地面的时候，足底各点会产生不同的压力，通过测试、分析足底压力，可以获取人体在各体态和运动下的生理、病理力学参数和机能参数。例如，对足底压力采集与分析可应用于脑卒中术后的步行康复训练中，通过分析患者的步态特征、发力方式，为医生评估患者康复情况，制订针对性的治疗方案提供有效的量化数据参考。在国内用于足底压力测量的阵列式压力传感器的传感器单元数量少并且测量精度低，还不能满足康复医疗等专业领域的需求，主要原因是不能对足底压力数据进行实时动态的整体展现。因此需要发明一种足底压力采集系统，能使实验者可以尽量按照自然的步态行走，而不受压力传感器尺寸大小的影响。还需满足增大压力感应面积的同时保证采样的空间分辨率和采样率，以保证足底压力采集系统的准确性和稳定性。
发明内容
本发明公开了一种阵列式压力传感器和压力采集系统，用来获取自然步态下的足压采样数据。
根据第一方面，一种实施例中提供一种阵列式压力传感器，包括依次贴合设置的行导线层、电阻式压力传感层和列导线层；所述行导线层包括多条沿电阻式压力传感层一面的第一方向设置的多条导线；所述列导线层包括多条沿电阻式压力传感层另一面的第二方向设置的多条导线。
根据第二方面，一种实施例中提供一种压力采集系统，包括：
如第一方面所述的阵列式压力传感器；
列选择器，与所述阵列式压力传感器的列导线层各导线电连接，用于选通所述阵列式压力传感器的各列；
R-V转换器，与所述阵列式压力传感器的行导线层各导线电连接，用于将所述阵列式压力传感器的各行在压力作用下导致的电阻变化转换成模拟电压信号；
模数转换器，与所述R-V转换器电连接，用于将R-V转换器输出的各行的模拟电压信号转换为数字电压信号。
依据上述实施例的阵列式压力传感器和压力采集系统，由于阵列式压力传感器的同行压力感应点共用一个行引出导线，同列压力感应点共用一个列引出导线，并采用对行导线和列导线分开双面布线。使得阵列式压力传感器减少了导线数目和布线密度，降低了大尺寸阵列式压力传感器的设计难度，进而满足增大压力感应面积的同时保证采样的空间分辨率和采样率。
附图说明
图1为一种实施例中的阵列式压力传感器的结构示意图；
图2为一种实施例中的阵列式压力传感器的行导线层和列导线层结构示意图；
图3为一种实施例中的阵列式压力传感器的导电引线的连接示意图；
图4为一种实施例中的阵列式压力传感器的电阻式压力传感层局部结构的平面示意图；
图5为一种实施例中的阵列式压力传感器的电阻式压力传感层局部结构的截面示意图；
图6为不同量程的传感器单元的压力与电阻变化曲线；
图7为一种实施例中的压力采集系统的结构示意图；
图8为一种实施例中的R-V转换运放阵列的R-V转换电路单元的结构示意图；
图9为一种实施例中的压力采集系统的结构框图；
图10为一种实施例中的压力采集系统的工作流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
在足底压力采集系统的设计中，为使实验者可以尽量按照自然的步态行走，而不受传感尺寸大小的影响，应尽可能增大压力感应面积，同时要保证采样的空间分辨率和采样率。平板式压力传感器的空间分辨率、采样率和感应面积等参数是相互制约。为了提高压力采集的精度、减少测量中对实验者自然步态的影响，应尽可能提高传感系统的空间分辨率、采样率与感应面积。但随着传感单元尺寸的缩小和感应面积的增大，必定会带来传感单元数量几何倍数增加，从而增大了信号处理电路设计的复杂度。如何在保证采样率与足底压力图像显示效果的情况下提高感应面积，这也成为国内外相关研究中的重要研究内容。
国外的科研机构对压力传感系统的研究较早：2004年，日本国家先进工业科学和技术研究所的薄力感应电阻橡胶板的S Kagami等人基于川田工业公司的“H7”机器人开发平台，开发了应用在仿人机器人步态测量的高速矩阵压力传感器，该传感阵列为32*32，单个传感器尺寸为4.2mm*7mm。2013年，帕维亚大学的Elisa Marenzi等人基于DSPTMS320LF2407A开发了应用于汽车座椅压力检测的传感系统，传感阵列为10*10，传感尺寸为30cm*30cm。
国内现有的平板式压力采集产品传感面积较小，对足底压力的研究起步较晚，在采集动态步态信息，特别是完整步态周期时不方便。目前相关研究多处于原型机的验证阶段。2003年华中科技大学同济医学院袁刚等人研制了具有200个电阻式铂金式应变片传感器，感应面积为30cm×15cm的平板式足底压力分布测量系统；2013年电子科技大学的张光研制了一款基于SiM3U167的具有2048个压阻传感器的平板式足底压力测量系统，感应面积32cm*16cm；2017年，中国科学院的郭立泉在论文中提出，可将4套包含2288个传感单元的压力采集系统合并使用，以扩展压力图像的采集面积。
在本发明实施例中，公开了一种阵列式压力传感器和压力采集系统，由于阵列式压力传感器的同行压力感应点共用行引出导线，同列压力感应点共用一个列引出导线，并采用对行导线和列导线分开双面布线，使得该阵列式压力传感器不但感应面积大，而且空间分辨率高。基于该阵列式压力传感器的压力采集系统，实现了高采样率采样，进而使得到压力采集系统采集获得的图像清晰，噪声小。
实施例一：
请参考图1，为一种实施例中的阵列式压力传感器的结构示意图，该阵列式压力传感器，包括依次贴合设置的行导线层21、电阻式压力传感层10和列导线层22。一实施例中阵列式压力传感器可以是柔性片状结构。
行导线层21包括多条沿电阻式压力传感层一面的第一方向设置的多条导线。列导线层22包括多条沿电阻式压力传感层另一面的第二方向设置的多条导线。一实施例中第一方向与第二方向垂直，例如第一方向是行方向，第二方向是列方向。行导线层21和列导线层22中的导线可以是具有一定宽度的带状导体，带状导体可以采用金、银、铜等金属导体来制成。一实施例中，行导线层21的导线宽度为5毫米，各导线之间的距离为1毫米。一实施例中列导线层22的导线宽度为5毫米，各导线之间的距离为1毫米。一实施例中行导线层21的导线数量为120。一实施例中列导线层22的导线数量为56。一实施例中行导线层21中一侧作为奇数行的导线的输出端，相对的另一侧作为偶数行的导线的输出端。
电阻式压力传感层10用于当该阵列式压力传感器在受到外力作用时，受压处的电阻率会发生变化。一实施例中电阻式压力传感层10可以采用具有压敏特性的导电橡胶薄膜或PVDF(聚偏氟乙烯)等高分子材料，在受到外力作用时，其材质颗粒密度发生变化，使其电阻率发生变化。
一实施例中阵列式压力传感器还可以包括两个紧密接触的保护层31和保护层32。其中一个保护层31与行导线层21贴合设置，另一个保护层32与列导线层22贴合设置，即一实施例中阵列式压力传感器可以包括依次贴合设置的保护层31、行导线层21、电阻式压力传感层10、列导线层22和保护层32。一实施例中保护层31和保护层32的材质可以采用聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)、聚醚酮或透明导电涤纶等高分子材料。
请参考图2，为一种实施例中的阵列式压力传感器的行导线层和列导线层结构示意图，行导线层21包括若干条沿行方向排列的导线，列导线层22包括若干条沿列方向排列的导线。行导线层21和列导线层22分别与电阻式压力传感层10面接触且电连接，行导线层21中导线与列导线层22中导线的交叉点处形成压力感应点。例如，不妨以行导线层21的导线数量为120，列导线层22的导线数量为56为例，它们的共形成有120*56＝6720个交叉点，因此阵列式压力传感器相应地也就具有6720个压力感应点。
一实施例的阵列式压力传感器可以采用下式的的制备方法来制造。具体包括：
步骤1，取两片形状大小相同(本实施例采用面积为30cm*70cm，厚度为100μm)的PI(聚酰亚胺)薄膜材料分别作为保护层31和保护层32，采用去离子水清洗表面10分钟，并置于氮气下干燥。
步骤2，将清洗后的两片PI薄膜分别放于丝网印刷机的印刷台上，然后在保护层31薄膜表面用导电银浆印刷横向的带状结构，以形成行导线层21。在保护层32的薄膜表面用导电银浆印刷纵向的带状结构，以行成列导线层22。其中，带状导体结构之间有缝隙，以隔离各个带状金属条，防止各个带状导体之间电连接。本实施例中，行导线层21和列导线层22的各导线宽度为5mm，各导线之间的距离为1mm，即带状导体的宽度为5mm，带状导体结构之间的缝隙宽度为1mm。行导线层21的导线数量为120，列导线层22的导线数量为56。
步骤3，在行导线层21和列导线层22的导线边缘采用丝网印刷机印刷出每行或每列的引出导线，印刷浆料可采用银浆。在列导线层22的一侧设置多个柔性电路板接口。柔性电路板接口与行导线层中各导线的引出导线电连接，用于作为行导线层的输出接口。柔性电路板接口与列导线层中各导线的引出导线电连接，用于作为列导线层的输入接口。本实施例中，行导线层21中一侧作为奇数行的导线的引出导线输出端，相对的另一侧作为偶数行导线层21的导线的引出导线输出端。
步骤4，裁剪好两片厚度为30μm及大小合适的导电橡胶的压敏薄膜作为电阻式压力传感层10，采用双组分丙烯酸高黏胶分别粘合封装在行导线层21和列导线层22。最后将两片导电橡胶的压敏薄膜相对设置，且以重叠方式紧密面接触，以形成电阻式压力传感层10，就完成了阵列式压力传感器的制备。
请参考图3，为一种实施例中的阵列式压力传感器的导电引线的连接示意图，包括列引线25、行引线24和引线接口23。引线接口23是柔性印刷电路板(Flexible PrintedCircuit board，FPC)引线接口，用于通过柔性印刷电路板引线接口的排针接口与外电路连接。列引线25用于连接列导线层22的每一条导线和引线接口23的排针接口。行引线24用于连接行导线层21的每一条导体和引线接口23的排针接口。其中，列导线层22以列排列的导体与行导线层21以行排列的导体的交叉点是压力感应点202。
请参考图4和图5，为一种实施例中的阵列式压力传感器的电阻式压力传感层局部结构的平面示意图和截面示意图。包括行导线层21和列导线层22、压力感应点201。压力感应点201的大小为行导线层21的导线的宽度和列导线层22导线的宽度的乘积。压力感应点201之间的压力感应点间距202的宽度为导线之间缝隙的宽度。本实施例中，压力感应点201面积的大小为5mm*5mm。压力感应点201间距202的宽度为1mm。
本发明的阵列式压力传感器采用电阻式传感单元组成，其原理是接触力作用在力敏电阻元件上，力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化，通过变换电路又转换为电压变化从而得到相关的力信息。本实施例的电阻式传感单元是基于电阻式压力传感层的导电颗粒密度。即当电阻式压力传感层受到应力作用时，由于应力引起电阻式压力传感层形变，其中的导电颗粒密度发生变化，使其电阻率发生变化。
对于单个压力感应点，按照公式
F＝A×Rs B，
其中，F为施加压力的大小，Rs为传感单元阻值，A为系数，B为Rs指数常数。
一般A系数为正值，B为负值。通过调整电阻式压力传感层的密度，就可调整传感器单元的量程大小。对应不同量程的传感器单元，其特性曲线的A，B常数值也不同。如图6所示，为不同量程的传感器单元的压力与电阻变化曲线，分别是量程1KG曲线、量程10KG、量程50KG和量程100KG的传感器单元特性曲线。
本实施例中，设计压力感应点201(即阵列式压力传感器单元)的大小为5mm×5mm，感应面积设计为719mm×335mm，传感阵列排布为120*56，共计6720个传感单元。阵列式压力传感器的感应区域尺寸为71.9cm×33.5cm，空间分辨率2.8个/cm2。传感器单元数目巨大且呈阵列式排布，考虑到当导体引线处于传感器同侧时，传感器平板排线空间狭小，电干扰严重，所以采用行列选择方式。如图3所示，在阵列式压力传感器的阵列中，同行传感器单元共用一个行导线引线引出，同列传感器单元共用一个列导线引线引出，进行双面布线结构。采用该方法布置引线，使阵列式压力传感器的导线引线数目降低至120个行导线引线和56个列导线引线。在实际使用过程中，当我们选中一列和一行导线引线时，就可以选择对应的压力感应点，采用此方法可保证传感器具有良好的隔离，以及导线引线电阻可远小于传感器输出的电阻。
进一步，为了方便布线以及保持传感平板布线的对称性，将引线接口设计在传感器平板的同侧，并将行导线引线分别由传感器平板的两边引出，且一侧为奇数行导线引线，一侧为偶数行导线引线。引线接口采用柔性电路板(FPC)引线接口方式，使用引线接口的排针与外接电路连接。
请参考图7，为一种实施例中的压力采集系统的结构示意图，包括传感器40、数据采集模块50、通讯模块60和控制模块70。传感器40包括本实施例所述的阵列式压力传感器，当受到外部压力作用时，阵列式压力传感器的压力感应点的电阻率发生变化。数据采集模块50用于获取传感器40的各个压力感应点的电阻值，并将电阻值转化为数字信号数据发送给控制模块70。控制模块70用于依据数据采集模块50转化的数字信号数据，获取传感器40受到足部压力的压力值的分布数据。通讯模块60用于数据采集模块50和控制模块70之间的数据传输。
其中，数据采集模块50包括行列选择器501、R-V转换运放阵列502和模数转换器503。行列选择器501包括行选择器和列选择器，通过引线接口与阵列式压力传感器40的各行和各列连接，以预设顺序逐个选通阵列式压力传感器40的列引线和行引线，用于逐个选通阵列式压力传感器40的压力感应点。R-V转换运放阵列502用于将行列选择器501选通的压力感应点的电阻值转化为电压信号，并发送给模数转换器503。模数转换器503用于将R-V转换运放阵列502转化的电压信号转换为数字信号发送给控制模块70。
如图8所示，为一种实施例中的R-V转换运放阵列的R-V转换电路单元的结构示意图，包括第一电阻Rs、第二电阻Rg和运放电路。该电路属于反相比例运放电路包括基准电压Vref输入端和输出电压Vout输出端，运放电路要求输入电阻高，带宽大于10倍采样率与传感阵列单元数的乘积。在本实施例中采用ADA4891-4运放电路。其中，第一电阻Rs为阵列式压力传感器选通的压力感应单元的电阻，当每个传感单元所在的行列均导通时，该传感单元被接入R-V转换电路。第一电阻Rs的a端对应传感器的列引线，b端对应传感器的行引线。第二电阻Rg为负反馈电阻。阵列式压力传感器选通的压力感应单元的电阻的一端接地，另一端接入运放电路的负极，运放电路的正极接基准电压Vref。
计算得到模拟运算电路的输出电压Vout为
其中，输出电压Vout连接后级模数转换器的输入，因此第二电阻Rg的取值要求对应采集足底压力采集的压力区间范围，使输出电压Vout输出的最大值小于等于后级模数转换器的最大输入电压，即对应第一电阻Rs的最小阻值，如：
即，
其中，Vref为基准电压，VADCMAX为输出电压Vout输出的最大值,RSMIN为第一电阻Rs的最小值，Rg为第二电阻。
请参考图9，为一种实施例中的压力采集系统的结构框图，包括阵列式压力传感器91、R-V转换器92、列选择器93、行选择器94、模数转换器95、USB接口97和上位机96。列选择器93与阵列式压力传感器91的列导线层各导线电连接，用于选通阵列式压力传感器91的各列。R-V转换器92的各个R-V转换单元分别与阵列式压力传感器91的行导线层各导线电连接，用于将阵列式压力传感器91的各行在压力作用下导致的电阻变化转换成模拟电压信号。行选择器94连接于R-V转换器和模数转换器之间，用于选通R-V转换器输出的模拟电压信号发送给模数转换器。行选择器94与R-V转换器92的各个R-V转换单元的输出端电连接，用于当列选择器93选通阵列式压力传感器91的某一列时，选通该列上的各个压力感应点对应的R-V转换单元输出的模拟电压信号。R-V转换器92包括多个R-V转换器单元，并由该多个R-V转换器单元组成R-V转换运放阵列。R-V转换器单元包括反相比例运放电路。列选择器93选通的阵列式压力传感器的列接地。反相比例运放电路的负极与阵列式压力传感器91的行导线层中的一导线连接。反相比例运放电路的输出端与行选择器94连接。模数转换器95用于将选通的模拟电压信号转换为数字电压信号。通讯模块可以采用USB接口，用于模数转换器95与上位机96之间数据通讯。上位机96包括处理器，用于依据模数转换器输出的数字电压信号，计算阵列式压力传感器的所感应到的压力的分布值。具体是依据模数转换器92输出的数字电压信号，计算阵列式压力传感器91所感应到的压力值变化的分布情况。
在本实施例中，阵列式压力传感器91的行导线层包括120行导线，列导线层包括60列导线。行导线层和列导线层之间有120*60个压力感应点。120个行导线的每个引线(A1至A120)与R-V转换器92的120个R-V转换单元的b端点(b1至b120)分别连接。60个列导线的每个引线(B1至B56)与列选择器93连接。列选择器93包括7个ADG708芯片，用于对56列行引线进行选择性选通，每次选通一列。选通一列后，阵列式压力传感器91该列上的压力感应点的一端与R-V转换器92的120个R-V转换单元的a端电连接。此时，R-V转换器92的120个R-V转换单元都被选通，在每个R-V转换单元输出端会产生电压信号，并发送给行选择器94。行选择器94用于将输入120个电压信号分时选择16个电压信号发送给模数转换器95。行选择器94包括多路选择器941和转换器942。多路选择器941包括16个ADG708芯片。每个ADG708芯片包括8个输入端，选其中2个ADG708芯片使用4个输入端，这样多路选择器941有120个输入端。将多路选择器941的120个输入端分别与120个R-V转换单元输出端电连接。多路选择器941从120个输入端输入的120个电压信号中分时选通16个电压信号发送给转换器942。转换器942包括TS3L301芯片，用于从多路转换器941输出的16个电压信号分时选通8个发送给模数转换器942。模数转换器95包括STM32F1型ARM处理器。处理器内部包含3个ADC，每个ADC有若干通道，在本实施例中只选用其中2个ADC的各4个通道，共计8个通道，与行选择器94的转换器TS3L301输出的8路电压信号相对应连接。应用ARM的“双ADC同步规则采样”功能，只用4次采样的时间就可以完成8通道输入信号的AD转换。
如上所述，通过控制信号对阵列式压力传感器91的传感单元进行选择，传感单元即阵列式压力传感器91的压力感应点。列选择器93的作用是每次采样时，选通一列传感单元，将该列传感单元的每个点均接入R-V转换器92中，即对应m*n(m≥n)的压力传感点阵，在扫描采集过程中，每次将一列中的m个传感单元接入R-V转换器92的R-V转换运放阵列中，产生m个电压值，由后端多路模数转换器进行同时采样。该结构设计取消了行传感器的切换过程，使每次采样过程只需要对列传感器进行切换，有效简化了传感阵列的扫描采样流程，使在指定采样率下，相邻列传感单元之间的切换时间间隔可以得到加长。
仍以m*n(m≥n，n为列数，m为行数)的压力传感点阵列为例，对于指定的采样率K，则相邻列通道选通的时间间隔Tinv可延长至：
其中，Tinv为列通道选通时间间隔，K为采样率，n为阵列式传感器的列数。
行选择电路的作用是，选通R-V转换运放阵列产生的m组电压值，与后端的模数转换器的输入通道数相对应。
鞋垫的足压采集电路还包括下位机，用于对整个足压采集电路进行控制。具体是，下位机通过脉冲控制信号对行选择器94和列选择器93的选通时序进行控制(包括选通行列顺序和选通频率)。下位机还控制数模转换器95的模数转换时序，还对转换后的数字信号进行打包，并通过控制通讯模块97发送给上位机96。在本实施例中，下位机采用MCU，具体采用ARM(Advanced RISC Machines)处理器架构，具体可使用STM32F1系列处理器芯片，其内置有数模转换器95。在每次采样过程中，通过STM32F1系列处理器芯片内置的模数转换器95对R-V转换器92产生的电压进行采样并对数据进行打包。通讯模块包括无线通讯模块和有线通讯模块。无线通讯模块具体可包括LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网络)模块、2G通讯模块、3G通讯模块、4G通讯模块、5G通讯模块或wifi通讯模块、蓝牙通讯模块、ZigBee(紫蜂协议)模块中至少一项。有线通讯模块具体可包括通用串行总线，串行通讯接口，LAN接口，HDMI接口，或RJ45网线接口等接口中至少一项。串行总线可以是USB接口，串行通讯接口可以是COM接口。本实施例中，通讯模块采用USB接口通信，具体采用USB3300芯片，将打包的数据通过USB接口发送给上位机96。上位机96可以是PC机。
如图10所示，为一种实施例中的压力采集系统的工作流程示意图，为了方便表述，定义阵列式压力传感器的压力感应点以行列排布的压力感应点，包括m行和n列，m和n为自然数。任意压力感应点以X(m，n)表示，例如X(4，6)表示位于阵列式压力传感器的第4行第6列的压力感应点。基于本实施例中的阵列式压力传感器，同行的压力感应点的行引线共线，同列的压力感应点的列引线共线。
本实施例的压力采集系统的工作流程为：
a).给压力采集系统上电，ARM处理器上电后开始初始化配置。初始化配置包括系统时钟设置、定时器设置、ADC(模数转换器)配置、USB接口初始化设置等。初始化配置完成后，进入等待采样开始信号状态。
b).收到采样开始信号后，开启行列选择器，行列选择器按预设顺序，选通阵列式压力传感器的各个压力感应点的行引线和列引线，进而将各个压力感应点连入R-V转换电路。同时通过模数转换器对R-V转换电路输出的电压值进行采样，进而获取采样数据。
具体可以包括：
(1).行列选择器按预设顺序选通阵列式压力传感器的n列中的第1列的列引线；
(2).行列选择器依次选通阵列式压力传感器的m行中的每一行的行引线；
(3).同时模数转换器将R-V转换电路输出的电压值进行采样，以完成对这一列的每一个压力感应点X(m，1)的数据采样。
(4).行列选择器按预设顺序选通阵列式压力传感器的下一列的列引线；
(5).重复(2)至(4)步，直至阵列式压力传感器的第1至第n列都选通过，以完成对阵列式压力传感器的所有压力感应点的一次数据采样。
一实施例中，在步骤(2)中可以同时选通同一列的8行压力感应点，即可以同时对同一列的8行压力感应点进行数据采样。一实施例中，行列选择器可以采用m数量通道的选择器,同时对同一列的m行的压力感应点进行数据采样，m值越高采样效率越快。
c).对采样数据进行打包，并通过USB接口发送给控制模块。
例如，本实施例中的阵列式压力传感器包括120*56个压力感应点行列选择器先选通56列中的第1列，然后对应120行R-V转换电路会产生120个电压信号，模数转换器对这120个电压信号依次进行采样。全部120个电压信号采样完成之后，行列选择器再选通56列中的第2列，重复以上过程。重复56次之后，对所有的压力感应点完成采样，再对采样数据进行打包发送给控制模块。
d).重复b)，c)步骤，直到压力采集系统收到停止采样信号，以停止采样。
进一步，本实施例的压力采集系统还可以采用分段采集的方式对阵列式压力传感器进行数据采集，先将阵列式压力传感器按行进行区域划分。
阵列式压力传感器的压力感应点以行列排布，包括q*m行和n列，q、m和n是自然数。将阵列式压力传感器的压力感应点按行分成q个区域。第1区域包括所述阵列式压力传感器的第m+1至m行。第2区域包括所述阵列式压力传感器的第(2-1)m+1至2m行。依次第q区域包括阵列式压力传感器的第(q-1)m+1至qm行。按顺序依次对q个区域的压力感应点进行采样，以完成一次数据采样。其中，对q个区域中任一p区域(1≤p≤q)的采样过程包括：
(1).行列选择器按预设顺序选通所述阵列式压力传感器的n列中的第1列的列引线；
(2).行列选择器依次选通阵列式压力传感器的第(p-1)m+1至p m行的行引线；
(3).同时模数转换器将R-V转换运放阵列输出的电压值进行采样，以完成这一列的对第(p-1)m+1至p m行的每一个压力感应点的数据采样。
(4).行列选择器按预设顺序选通所述阵列式压力传感器的下一列；
(5).重复(2)至(4)步，直至阵列式压力传感器的第1至第n列都选通过，以完成对阵列式压力传感器的第(p-1)m+1至p m行的压力感应点的一次数据采样。
例如，阵列式压力传感器以行列排布的压力感应点，包括2m行和n列。将阵列式压力传感器的压力感应点按行划分为2个区域。其中，第一区域为X(1，n)到X(m，n)，第二区域为X(m+1，n)到X(2m，n)。
该压力采集系统的工作流程可以为：
a).压力采集系统完成初始化配置，进入等待采样开始信号状态。
b).压力采集系统收到采样开始信号后，开启行列选择器，对阵列式压力传感器第一区域进行采样。
该步骤具体可以包括：
(1).行列选择器按预设顺序选通阵列式压力传感器的n列中的第1列；
(2).行列选择器依次选通阵列式压力传感器第一区域的各行，既从第1行至第m行；
(3).同时模数转换器将R-V转换电路输出的电压值进行采样，以完成对这一列的第1行至第m行的压力感应点X(1，1)至X(m，1)的数据采样。
(4).行列选择器按预设顺序选通阵列式压力传感器的下一列；
(5).重复(2)至(4)步，直至阵列式压力传感器的第1至第n列都选通过；
对阵列式压力传感器第一区域的所有压力感应点进行了一次数据采样，完成一次数据采样。
c).对采样数据进行打包，并发送给控制模块。
d).重复b)至c)步骤，直到收到对阵列式压力传感器第二区域进行采样的信号。
e).收到对阵列式压力传感器第二区域进行采样的信号后，对阵列式压力传感器第二区域进行采样。
该步骤具体可以包括：
(1).行列选择器按预设顺序选通阵列式压力传感器的n列中的第1列；
(2).行列选择器依次选通阵列式压力传感器第二区域的各行，即从第m+1行到第2m行；
(3).同时模数转换器将R-V转换电路输出的电压值进行采样，以完成对这一列的第m+1行至第2m行的压力感应点X(m+1，1)至X(2m，1)的数据采样。
(4).行列选择器按预设顺序选通阵列式压力传感器的下一列；
重复(2)至(4)步，直至阵列式压力传感器的第1至第n列都选通过；
(5).对阵列式压力传感器第二区域的所有压力感应点进行了一次数据采样，完成一次数据采样。
f).对采样数据进行打包，并发送给控制模块。
g).重复e)至f)步骤，直到压力采集系统收到停止采样信号，以停止采样。
以本实施例中的阵列式压力传感器为例，包括120*56个压力感应点。先将阵列式压力传感器按行划分为2个区域。其中，第一区域为X(1，n)到X(60，n)，第二区域为X(61，n)到X(120，n)。收到采样开始信号后，行列选择器先选通56列中的第1列，然后对应第1至第60行R-V转换电路会产生60个电压信号，模数转换器对这60个电压信号依次进行采样。全部60个电压信号采样完成之后，行列选择器再选通56列中的第2列，重复以上过程。重复56次之后，对第1至第60行的所有压力感应点完成采样，再对采样数据进行打包发送给控制模块。当收到对阵列式压力传感器第二区域进行采样的信号后，行列选择器先选通56列中的第1列，然后对应第61至第120行R-V转换电路会产生60个电压信号，模数转换器对这60个电压信号依次进行采样。全部60个电压信号采样完成之后，行列选择器再选通56列中的第2列，重复以上过程。重复56次之后，对第61至第120行的所有压力感应点完成采样，再对采样数据进行打包发送给控制模块。直到压力采集系统收到停止采样信号，以停止采样。
按以上所述的对阵列式压力传感器采取分区、分时采样的方法，可以提高压力采集系统的采样效率。同时，在不增加压力采集系统的数据采集模块50电路的情况下，无限延长阵列式压力传感器的行数，进而增加自然行走状态下足压数据采集的长度。进一步，阵列式压力传感器的区域划分和切换采样区域的时间，可以根据自然行走步伐长度、行走速度和足迹大小进行设定。
在本实施例中，阵列式压力传感器的同行压力感应点共用一个行引出导线，同列压力感应点共用一个列引出导线，并采用对行导线和列导线分开双面布线。减少了阵列式压力传感器的导线引线数目和导线引线的布线密度，降低了大尺寸阵列式压力传感器的设计难度，进而满足增大压力感应面积的同时保证采样的空间分辨率和采样率。同时本申请还公开了基于本实施例中的阵列式压力传感器设计的压力采集系统，依据阵列式压力传感器的同行压力感应点行引线共线和同列压力感应点列引线共线的特性，对阵列式压力传感器采用分行、分列和分时采样的方法进行采样，实现在自然行走状态下对足压数据的采集，同时也保证压力采集系统的准确性和稳定性。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种阵列式压力传感器，其特征在于，包括依次贴合设置的行导线层、电阻式压力传感层和列导线层；所述行导线层包括多条沿电阻式压力传感层一面的第一方向设置的多条导线；所述列导线层包括多条沿电阻式压力传感层另一面的第二方向设置的多条导线。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一方向与第二方向垂直。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述行导线层的导线数量为120，和/或，所述列导线层的导线数量为56。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括多个柔性电路板接口；柔性电路板接口与所述行导线层中各导线电连接，用于作为行导线层的输出接口；柔性电路板接口与所述列导线层中各导线电连接，用于作为列导线层的输入接口。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括两个保护层，其中一个保护层与行导线层贴合设置，另一个保护层与列导线层贴合设置。
6.一种压力采集系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至5中任一项所述的阵列式压力传感器；
列选择器，与所述阵列式压力传感器的列导线层各导线电连接，用于选通所述阵列式压力传感器的各列；
R-V转换器，与所述阵列式压力传感器的行导线层各导线电连接，用于将所述阵列式压力传感器的各行在压力作用下导致的电阻变化转换成模拟电压信号；
模数转换器，与所述R-V转换器电连接，用于将R-V转换器输出的各行的模拟电压信号转换为数字电压信号。
7.如权利要求6所述的压力采集系统，其特征在于，还包括行选择器，连接于所述R-V转换器和所述模数转换器之间，用于选通所述R-V转换器输出的模拟电压信号发送给所述模数转换器。
8.如权利要求7所述的压力采集系统，其特征在于，所述R-V转换器包括多个R-V转换器单元，所述R-V转换器单元包括反相比例运放电路；所述列选择器选通的所述阵列式压力传感器的列接地；所述反相比例运放电路的负极与所述阵列式压力传感器的行导线层中的一导线连接；所述反相比例运放电路的输出端与所述行选择器连接。
9.如权利要求6所述的压力采集系统，其特征在于，还包括处理器，用于依据所述模数转换器输出的数字电压信号，计算所述阵列式压力传感器的所感应到的压力的分布值。
10.如权利要求9所述的压力采集系统，其特征在于，还包括通讯模块，用于所述模数转换器与所述处理器的数据通讯。
CN201811360579.7A 2018-11-15 2018-11-15 一种阵列式压力传感器和压力采集系统 Pending CN109443611A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811360579.7A CN109443611A (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种阵列式压力传感器和压力采集系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811360579.7A CN109443611A (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种阵列式压力传感器和压力采集系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109443611A true CN109443611A (zh) 2019-03-08

Family

ID=65553821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811360579.7A Pending CN109443611A (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种阵列式压力传感器和压力采集系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109443611A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110074814A (zh) * 2019-05-17 2019-08-02 清华大学 柔性超声检测装置及其使用方法
CN110367989A (zh) * 2019-07-31 2019-10-25 深圳职业技术学院 用于外骨骼足底压力采集的传感器结构
CN110477887A (zh) * 2019-09-18 2019-11-22 浙江理工大学 一种非入侵式长程呼吸暂停综合征的监测装置
CN110793712A (zh) * 2019-10-31 2020-02-14 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司 一种由壬式压力传感器高频采样装置
CN111972727A (zh) * 2019-05-24 2020-11-24 美宸科技股份有限公司 具有感测功能的穿戴式物品
US20220031241A1 (en) * 2020-07-28 2022-02-03 Xsensor Technology Corporation Foot sensor and other sensor pads
CN114404022A (zh) * 2019-08-02 2022-04-29 深圳北芯医疗科技有限公司 带有监测压力信号的传感器阵列的冷冻消融装置
WO2023045108A1 (zh) * 2021-09-26 2023-03-30 中国科学院深圳先进技术研究院 一种基于大规模高密度压阻薄膜的足迹统计分析方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108801516A (zh) * 2018-06-14 2018-11-13 杭州电子科技大学 一种大面积柔性传感器阵列的制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108801516A (zh) * 2018-06-14 2018-11-13 杭州电子科技大学 一种大面积柔性传感器阵列的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王墨 等: "基于传感阵列的足底压力扫描系统设计研究", 《北京大学学报》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110074814A (zh) * 2019-05-17 2019-08-02 清华大学 柔性超声检测装置及其使用方法
CN111972727A (zh) * 2019-05-24 2020-11-24 美宸科技股份有限公司 具有感测功能的穿戴式物品
CN110367989A (zh) * 2019-07-31 2019-10-25 深圳职业技术学院 用于外骨骼足底压力采集的传感器结构
CN114404022A (zh) * 2019-08-02 2022-04-29 深圳北芯医疗科技有限公司 带有监测压力信号的传感器阵列的冷冻消融装置
CN114404022B (zh) * 2019-08-02 2024-01-05 深圳北芯医疗科技有限公司 带有监测压力信号的传感器阵列的冷冻消融装置
CN110477887A (zh) * 2019-09-18 2019-11-22 浙江理工大学 一种非入侵式长程呼吸暂停综合征的监测装置
CN110793712A (zh) * 2019-10-31 2020-02-14 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司 一种由壬式压力传感器高频采样装置
US20220031241A1 (en) * 2020-07-28 2022-02-03 Xsensor Technology Corporation Foot sensor and other sensor pads
WO2023045108A1 (zh) * 2021-09-26 2023-03-30 中国科学院深圳先进技术研究院 一种基于大规模高密度压阻薄膜的足迹统计分析方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109443611A (zh) 一种阵列式压力传感器和压力采集系统
CN101201279B (zh) 一种压力分布测量方法
US20090033341A1 (en) Capacitive tactile tile sensor
CN104224170B (zh) 一种阵列式柔性表面肌电电极及制备方法
CN105606270B (zh) 一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器
CN205826179U (zh) 基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器
CN102207415B (zh) 基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法
EP0614558B1 (en) Data input device with a pressure-sensitive input surface
CN107631818A (zh) 基于压阻效应的柔性阵列压力测量传感器及其测量方法
CN105424095B (zh) 二维阻性传感器阵列的快速读出电路及其读出方法
CN101201278A (zh) 基于阵列式超薄柔顺力传感器的曲面层间挤压力监测系统
CN109470386A (zh) 一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法
CN108982003A (zh) 飞行器智能蒙皮非均匀传感器阵列、其制备方法及包含其的采集系统
EP0811150B1 (en) Apparatus for detecting and displaying pressures of the foot-sole at a standstill and during movement
CN107374780A (zh) 一种人工智能皮肤及其检测温湿度和压力的方法
CN109141696A (zh) 一种基于压电薄膜的柔性触觉传感器及其信号处理系统
CN107582215A (zh) 具有温湿度和压力检测功能的人工智能皮肤及其检测方法
CN106813783A (zh) 基于运算放大器的阻性传感器阵列读出电路及其读出方法
CN1682655A (zh) 身体组成测量装置
CN105509937B (zh) 一种压感传感器、压力检测方法及制造工艺
CN106725606A (zh) 感测器
WO2018119751A1 (zh) 脉搏信号采集装置及压力分布测试设备
CN105496684A (zh) 具有压力位置识别功能的压力感应器
CN210095737U (zh) 一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫
CN109349737A (zh) 一种用于足压采集的鞋垫

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190308

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication