CN110200634B - 一种修正频率影响的足底压力传感器及相应的修正方法 - Google Patents

一种修正频率影响的足底压力传感器及相应的修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种修正频率影响的足底压力传感器，它包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连，信号采集部分包括一个频率采集单元和至少一个压力采集单元，压力采集单元包括自上而下依次设置的第一器件保护层、第一电极、压电薄膜、地电极和第二器件保护层。本发明还提供了检测足底压力及其频率变化并带修正功能的方法。本发明不但能够测量步行时足底的压力还能测出相应的频率，并对频率变化引起的压电常数变化进行修正，为足底压力的测量提供了更丰富、全面、准确的数据。本发明适用于医疗设备技术领域。

Description

一种修正频率影响的足底压力传感器及相应的修正方法
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，用于检测足底压力及其变化频率并修正频率变化引起的压力变量，具体地说是一种修正频率影响的足底压力传感器及相应的修正方法。
背景技术
随着生活水平的提高，人体健康成为人们关注的重要问题。据生物全息理论，足部关联着人体的五脏六腑和各个器官，并有其相应的反射区，由此可见，足部与人体健康长寿存在着密切的关系。
人体足底压力的分布情况可以反映下肢的功能和身体姿态的变化。对足底各点压力参数进行测试和分析，可以获取人体在不同运动状态下的生理学和病理学参数，这对临床疾病诊断、术后效果评价、康复程度评估等研究均有重要的意义。然而，由于所采用的测量材料压电薄膜自身所具有的特性，施加其上的加载频率对其特性参数存在影响，从而导致测量结果存在误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种修正频率影响的足底压力传感器，能够同时测量足底力及其变化频率，并通过校正变化频率引起的改变量，使得最终获得的信号波形更可靠真实。
本发明的另外一个目的是提供一种检测足底压力及其频率变化并修正的方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种修正频率影响的足底压力传感器，它包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连，
所述信号采集部分包括一个频率采集单元和至少一个压力采集单元，所述压力采集单元包括自上而下依次设置的第一器件保护层、第一电极、压电薄膜、地电极和第二器件保护层。
作为限定：所述频率采集单元为三轴加速度计，三轴加速度计的X轴正方向指向足底前进的方向，三轴加速度计的Z轴正方向垂直地面向下。
作为第二种限定：所述后端电路包括串接的电荷放大器单元、模数转换器单元、数据选择器、数字信号处理器、通讯模块和上位机；
所述电荷放大器单元包括并联的与压力采集单元数量相同的电荷放大器；模数转换器单元包括并联的与压力采集单元数量相同的模数转换器；
所述压力采集单元的信号输出端与电荷放大器单元的输入端相连，频率采集单元的信号输出端与数据选择器的频率信号输入端相连。
一种修正频率影响的足底压力的方法，采用上述的一种修正频率影响的足底压力传感器实现，按照以下步骤顺序进行：
一、当压力采集单元所受压力发生变化时，压电薄膜表面产生电荷；当足部产生位移时，频率采集单元采集与频率相关的数据；
二、后端电路采集压电薄膜表面产生的电荷，频率采集单元将采集的与频率相关的数据发送至后端电路，后端电路将集到的电荷数据、与频率相关的数据进行初步处理；
三、后端电路根据采集到的电荷数据计算得到足底的压力值；后端电路根据与频率相关的数据计算得到步频、加载、卸载、频率及步长信息，并根据计算结果修正压电材料的压电常数得到压电常数修正值；
四、后端电路结合压电常数修正值和压力值，最终计算得到压力修正值。
作为限定：所述频率采集单元为三轴加速度计，三轴加速度计的X轴正方向指向足底前进的方向，三轴加速度计的Z轴正方向垂直地面向下，所述步骤一按照以下步骤顺序进行：当压力采集单元所受压力发生变化时，压电薄膜表面产生电荷；当足部产生位移时，三轴加速度计测量足部沿前进方向及垂直地面方向的加速度数据。
作为进一步限定，所述后端电路包括串接的电荷放大器单元、模数转换器单元、数据选择器、数字信号处理器、通讯模块和上位机；
所述电荷放大器单元包括并联的与压力采集单元数量相同的电荷放大器；模数转换器单元包括并联的与压力采集单元数量相同的模数转换器；
所述压力采集单元的信号输出端与电荷放大器单元的输入端相连，频率采集单元的信号输出端与数据选择器的频率信号输入端相连；
所述步骤二按照以下步骤顺序进行：
（一）电荷放大器单元收集压电薄膜表面产生的电荷后放大成交流模拟电信号并输出至模数转换器单元，模数转换器单元将收到的交流模拟电信号转换成数字信号并发送至数据选择器；三轴加速度计将测量到的加速度数据发送至数据选择器；
（二）数据选择器将收到的带有电荷信息的数字信号调制之后输出至数字信号处理器；数据选择器将收到的加速度数据调制之后输出至数字信号处理器。
作为更进一步限定，所述步骤三中的计算过程在数字信号处理器中完成，其中：
①计算足底的压力值的过程包括依次进行的以下步骤，
A、根据压电关系式得到压电薄膜平面上采集到的电荷密度与压电常数、正应力的关系式/>，因此/>
所述为压电薄膜的压电常数，σ为与压电薄膜平面方向相垂直的正应力，/>为电荷密度，S为第一电极的面积，F为压力值；
②计算压电常数修正值的过程包括依次进行的以下步骤，
a、计算出加载频率和卸载频率/>，其中，/>，/>
所述加载是指足部踩向底面，压力增加；卸载是指足部离开地面压力减小； 代表加载时间，即踩向地面过程中加速度计z轴方向加速度由极大值到极小值的时间；/>代表卸载时间，即离开地面过程中加速度计z轴方向加速度由极小值到极大值的时间；
b、根据压电薄膜材料的介电谱和加载频率、卸载频率/>，得到加载和卸载对应的介电常数；
c、根据介电常数公式，求出加载压电常数/>和卸载压电常数。
作为再进一步限定：所述步骤四中，数字信号处理器计算出加载时的压力修正值为，卸载时的压力值为/>。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）本发明不但能够测量步行时足底的压力还能测出相应的频率，为足底压力的测量提供了更丰富、全面的数据；
（2）本发明利用三轴加速度计求出加载和卸载频率，从而对频率变化引起的压电常数变化进行修正，大大提高了传感器测得的压力的准确性，弥补了现有产品的缺陷；
（3）本发明采用无源的压电材料，具有低能耗的优点；
（4）本发明的结构简单、巧妙；
（5）本发明还公开了利用上述压电传感器结构检测正应力和频率的方法，该方法步骤简洁、易于实现，在足底压力检测领域具有开拓性。
本发明适用于医疗设备技术领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1的电路原理图；
图3为本发明实施例2的步行过程中，三轴加速度计z轴方向加速度变化及其对应的z轴方向下速率的变化图；
图4为本发明实施例2的步行过程中，一个压力检测单元所测得正应力变化图。
图中：1、第一器件保护层，2、第一电极阵列，21、第一电极，3、压电薄膜，4、地电极，5、第二器件保护层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1 一种修正频率影响的足底压力的鞋垫
如图1和图2所示，本实施例涉及一种修正频率影响的足底压力传感器的鞋垫，包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连；信号采集部分包括一个频率采集单元和压力采集单元，压力采集单元包括自上而下依次设置的第一器件保护层1、第一电极阵列2、压电薄膜3、地电极4和第二器件保护层5，第一电极阵列2包含多个结构相同并按照足底形状分布的第一电极21。
后端电路包括串接的电荷放大器单元、模数转换器单元、数据选择器、数字信号处理器、通讯模块和上位机；压力采集单元的信号输出端与电荷放大器的输入端相连，频率采集单元的信号输出端与数据选择器的频率信号输入端相连；电荷放大器单元包括与第一电极21数量相同的并联的电荷放大器，每一个第一电极21对应一个电荷放大器，模数转换器单元包括与第一电极21数量相同的并联的模数转换器，每一个电荷放大器对应一个模数转换器。
本实施例中的频率采集单元为三轴加速度计，三轴加速度计的X轴正方向指向足底前进的方向，三轴加速度计的Z轴正方向垂直地面向下。三轴加速度计设置在鞋垫的足弓处。
本实施例中的第一电极21的个数和安装位置可以根据实际需要来改变。
实施例2 一种检测足底压力及其频率变化并修正的方法
本实施例采用实施例1来实现，以第一电极21的数量为一个来举例说明，其按照以下步骤顺序进行：
一、将鞋垫放置于鞋内，被试者穿上鞋行走，当压力采集单元所受压力发生变化时，压电薄膜3表面产生电荷；当足部产生位移时，三轴加速度计测量足部沿前进方向及垂直地面方向的加速度数据；
如图3所示，是在一段步行过程中，三轴加速度计z轴方向加速度变化及其对应的z轴方向上速度的变化图，足部逐渐踩向地面时，速度先正向增加后减小到零，加速度先出现极大值，后出现极小值；当在地面踩平时，速度和加速度均为零；当足部逐渐抬起时，速度反向先增加后减小，z轴方向加速度先出现极小值，后出现极大值。
二、本步骤包括依次进行的以下步骤，
（一）电荷放大器收集压电薄膜3表面产生的电荷后放大成交流模拟电信号并输出至模数转换器，模数转换器将收到的交流模拟电信号转换成数字信号并发送至数据选择器；三轴加速度计将测量到的加速度数据发送至数据选择器；
（二）数据选择器将收到的带有电荷信息的数字信号调制之后输出至数字信号处理器；数据选择器将收到的带有加速度数据调制之后输出至数字信号处理器；
三、数字信号处理器根据采集到的电荷数据计算得到足底的压力值；后端电路根据与频率相关的数据计算得到步频、加载、卸载、频率及步长信息，并根据计算结果修正压电材料的压电常数得到压电常数修正值，其中，
①计算足底的压力值的过程包括依次进行的以下步骤，
A、根据压电关系式得到压电薄膜3平面上采集到的电荷密度与压电常数和正应力的关系式/>，因此/>
为压电薄膜3的压电常数，σ为与压电薄膜3平面方向相垂直的正应力，/>为电荷密度，S为第一电极21的面积，F为压力值；
如图4所示，是上述步行过程中，一个压力检测单元所测得正应力变化图，图中信号正向上升阶段表示脚正逐渐踩向鞋垫，正应力增加，随后电荷被消耗；信号反向下降阶段表示足部逐渐离开地面，正应力减小；
②计算压电常数修正值的过程包括依次进行的以下步骤，
a、计算出加载频率和卸载频率/>，其中，/>，/>
加载是指足部踩向底面，压力增加；卸载是指足部离开地面压力减小；代表加载时间，即踩向地面过程中加速度计z轴方向加速度由极大值到极小值的时间；/>代表卸载时间，即离开地面过程中加速度计z轴方向加速度由极小值到极大值的时间；
b、根据压电薄膜3的材料的介电谱和加载频率、卸载频率/>，得到加载和卸载对应的介电常数；
c、根据介电常数公式，求出加载压电常数修正值/>和卸载压电常数修正值/>；
四、数字信号处理器结合压电常数修正值和压力值，计算得到压力修正值；
其中，加载时的压力修正值为，卸载时的压力值为/>
最后数字信号处理器将通过通讯模块将上述计算结果发送至上位机进行显示，使用者可以根据显示的结果进行后续的分析。

Claims (4)

1.一种修正频率影响的足底压力传感器，它包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连，其特征在于：
所述信号采集部分包括一个频率采集单元和至少一个压力采集单元，所述压力采集单元包括自上而下依次设置的第一器件保护层、第一电极、压电薄膜、地电极和第二器件保护层；
所述频率采集单元为三轴加速度计，三轴加速度计的X轴正方向指向足底前进的方向，三轴加速度计的Z轴正方向垂直地面向下；
所述后端电路包括串接的电荷放大器单元、模数转换器单元、数据选择器、数字信号处理器、通讯模块和上位机；
所述电荷放大器单元包括并联的与压力采集单元数量相同的电荷放大器；模数转换器单元包括并联的与压力采集单元数量相同的模数转换器；
所述压力采集单元的信号输出端与电荷放大器单元的输入端相连，频率采集单元的信号输出端与数据选择器的频率信号输入端相连；
当压力采集单元所受压力发生变化时，压电薄膜表面产生电荷；当足部产生位移时，频率采集单元采集与频率相关的数据；后端电路采集压电薄膜表面产生的电荷，频率采集单元将采集的与频率相关的数据发送至后端电路，后端电路将采集到的电荷数据、与频率相关的数据进行初步处理；后端电路根据采集到的电荷数据计算得到足底的压力值；后端电路根据与频率相关的数据计算得到步频、加载、卸载、频率及步长信息，并根据计算结果修正压电材料的压电常数得到压电常数修正值；后端电路结合压电常数修正值和压力值，最终计算得到压力修正值；
计算得到步频、加载、卸载、频率及步长信息的过程在数字信号处理器中完成，其中：
①计算足底的压力值的过程中，根据压电关系式q(t)＝d33×σ(t)得到压电薄膜平面上采集到的电荷密度与压电常数、正应力的关系式Q(t)S＝d33×F(t)S，因此
所述d33为压电薄膜的压电常数，σ为与压电薄膜平面方向相垂直的正应力，Q(t)为电荷密度，S为第一电极的面积，F为压力值；
②计算压电常数修正值的过程中，
首先，计算出加载频率fu和卸载频率fd，其中，
所述加载是指足部踩向底面，压力增加；卸载是指足部离开地面压力减小；tu代表加载时间，即踩向地面过程中加速度计z轴方向加速度由极大值到极小值的时间；td代表卸载时间，即离开地面过程中加速度计z轴方向加速度由极小值到极大值的时间；
接着，根据压电薄膜材料的介电谱和加载频率fu、卸载频率fd，得到加载和卸载对应的介电常数；
最后，根据介电常数公式d33＝2ε33ε0k33Ps，求出加载压电常数d33(u)和卸载压电常数d33(d)；
数字信号处理器计算出加载时的压力修正值为卸载时的压力值为
2.一种修正频率影响的足底压力的方法，采用权利要求1所述的一种修正频率影响的足底压力传感器实现，其特征在于，按照以下步骤顺序进行：
一、当压力采集单元所受压力发生变化时，压电薄膜表面产生电荷；当足部产生位移时，频率采集单元采集与频率相关的数据；
二、后端电路采集压电薄膜表面产生的电荷，频率采集单元将采集的与频率相关的数据发送至后端电路，后端电路将采集到的电荷数据、与频率相关的数据进行初步处理；
三、后端电路根据采集到的电荷数据计算得到足底的压力值；后端电路根据与频率相关的数据计算得到步频、加载、卸载、频率及步长信息，并根据计算结果修正压电材料的压电常数得到压电常数修正值；
四、后端电路结合压电常数修正值和压力值，最终计算得到压力修正值；
所述步骤三中的计算过程在数字信号处理器中完成，其中，
①计算足底的压力值的过程包括依次进行的以下步骤，
A、根据压电关系式q(t)＝d33×σ(t)得到压电薄膜平面上采集到的电荷密度与压电常数、正应力的关系式Q(t)S＝d33×F(t)S，因此
所述d33为压电薄膜的压电常数，σ为与压电薄膜平面方向相垂直的正应力，Q(t)为电荷密度，S为第一电极的面积，F为压力值；
②计算压电常数修正值的过程包括依次进行的以下步骤，
a、计算出加载频率fu和卸载频率fd，其中，
所述加载是指足部踩向底面，压力增加；卸载是指足部离开地面压力减小；tu代表加载时间，即踩向地面过程中加速度计z轴方向加速度由极大值到极小值的时间；td代表卸载时间，即离开地面过程中加速度计z轴方向加速度由极小值到极大值的时间；
b、根据压电薄膜材料的介电谱和加载频率fu、卸载频率fd，得到加载和卸载对应的介电常数；
c、根据介电常数公式d33＝2ε33ε0k33Ps，求出加载压电常数d33(u)和卸载压电常数d33(d)；
所述步骤四中，数字信号处理器计算出加载时的压力修正值为卸载时的压力值为/>
3.根据权利要求2所述的修正频率影响的足底压力的方法，其特征在于：所述步骤一按照以下步骤顺序进行：当压力采集单元所受压力发生变化时，压电薄膜表面产生电荷；当足部产生位移时，三轴加速度计测量足部沿前进方向及垂直地面方向的加速度数据。
4.根据权利要求3所述的修正频率影响的足底压力的方法，其特征在于，
所述步骤二按照以下步骤顺序进行：
(一)电荷放大器单元收集压电薄膜表面产生的电荷后放大成交流模拟电信号并输出至模数转换器单元，模数转换器单元将收到的交流模拟电信号转换成数字信号并发送至数据选择器；三轴加速度计将测量到的加速度数据发送至数据选择器；
(二)数据选择器将收到的带有电荷信息的数字信号调制之后输出至数字信号处理器；数据选择器将收到的加速度数据调制之后输出至数字信号处理器。
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