CN110200635B - 一种检测步行时足底三轴力的传感器及相应的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测步行时足底三轴力的传感器，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，信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜。本发明还公开了检测步行时足底三轴力的方法。本发明在测出正应力的同时，可测出足底切应力的大小、方向的变化，弥补了现有产品的缺陷，为足底压力的测量提供了更丰富、全面的数据。本发明适用于医疗设备技术领域。

Description

一种检测步行时足底三轴力的传感器及相应的检测方法
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，用于检测步行时足底正应力和切应力，具体地说是一种检测步行时足底三轴力的传感器及相应的检测方法。
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。传统的足底压力测量设备大多只能测量正应力，无法提供切应力的数据，然而很多疾病已被证明与后者密切相关。例如，授权公告号为CN 208511028U的中国实用新型专利公开了一种足底压力信号采集装置，其通过设置的纵向导电带和横向导电带的交叉点作为信号采集点，采集足底压力的分布。上述技术只能简单采集足底压力的分布，无法提供切应力的数据。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测步行时足底三轴力的传感器，可以同时测量足底的正应力、前后方向的切应力和内外方向的切应力。
本发明的另外一个目的是提供一种检测步行时足底三轴力的方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种检测步行时足底三轴力的传感器，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；
（一）信号采集部分
所述信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；
所述采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜；
所述第一压电薄膜以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（1）>> d33（1）>> d32（1）；第二压电薄膜均以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（2）>> d33（2）>> d32（2）；第三压电薄膜以纵向压电效应为主，其压电常数满足d33（3）>> d31（3）>> d32（3）；
所述第一电极、第一压电薄膜和第三电极一起组成第一切应力采集组，第二电极、第二压电薄膜和第三电极一起组成第二切应力采集组，第四电极、第三压电薄膜和第三电极一起组成正应力采集组；
所述采集单元的数量为至少一个。
作为限定：所述后端电路包括串接的信号处理电路、通讯设备和上位机；
所述信号处理电路包括并联的第一～第三信号处理电路；
所述第一信号处理电路包括第一电荷放大器和第一模数转换器，第一电荷放大器的输入端与第一切应力采集组的信号输出端相连，第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与通讯设备的第一输入端相连；
所述第二信号处理电路包括第二电荷放大器和第二模数转换器，第二电荷放大器的输入端与第二切应力采集组的信号输出端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与通讯设备的第二输入端相连；
所述第三信号处理电路包括第三电荷放大器和第三模数转换器，第三电荷放大器的输入端与正应力采集组的信号输出端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与通讯设备的第三输入端相连。
作为进一步限定：所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；
所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连。
作为第二种限定：第一压电薄膜和第三压电薄膜的电轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上；第二压电薄膜的机械轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上。
作为第三种限定：第一电极和第四电极都是圆形电极，第二电极是包围第一电极的带缺口的环形电极，第一电极的输出引线从第二电极的缺口处穿出，第四电极的半径等于第二电极的外环半径；
第一压电薄膜是半径与第一电极半径相同的圆形薄膜，第二压电薄膜是内径、外径分别与第二电极的内径、外径相同的环形薄膜。
作为进一步限定：第一电极和第二电极的面积相等。
作为第五种限定：当采集单元的数量大于一个时，各个采集单元的第三电极共地。
一种检测步行时足底三轴力的方法，采用上述的检测步行时足底三轴力的传感器实现，按照以下步骤顺序进行：
一、当传感器所受正应力发生变化时，第三压电薄膜表面产生电荷；当传感器沿第一压电薄膜方向所受切应力发生变化时，第一压电薄膜表面产生电荷；当传感器沿第二压电薄膜方向所受切应力发生变化时，第二压电薄膜表面产生电荷；
二、后端电路分别收集第一～第三压电薄膜表面产生的电荷并进一步处理，最终求出对应的正应力、第一切应力和第二切应力。
作为限定，所述步骤二按照以下步骤顺序进行：
（一）第一电荷放大器收集第一压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；
（二）第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别通过通讯设备输出至上位机；
（三）上位机根据从第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据从第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据从第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值；
所述第一切应力是足底前后方向的切应力，第二切应力是足底内外方向的切应力。
作为进一步限定，所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；
所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连；
所述步骤二按照以下步骤顺序进行：
S1、第一电荷放大器收集第一压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；
S2、第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别输出至中央处理器；
S3、中央处理器对收到的数字信号赋予串口传输的次序后通过通讯设备将其发送至上位机；
S4、上位机根据来源于第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据来源于第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据来源于第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值。
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）本发明在测出正应力的同时，可以测出足底切应力的大小、方向的变化，弥补了现有产品的缺陷，为足底压力的测量提供了更丰富、全面的数据；
（2）本发明的结构简单、巧妙，在同一传感器上结合了两种不同压电材料，实现对三个参数的测量；
（3）本发明还公开了检测正应力、前后切应力、内外切应力的方法，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；
（4）本发明结构简单、易于集成化和小型化。
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的信号采集部分的结构示意图；
图2为本发明实施例1的信号采集层结构示意图；
图3为本发明实施例1的第一电极和第二电极的结构示意图；
图4为本发明实施例1的第四电极的结构示意图；
图5是本发明实施例1的信号采集单元的纵剖结构示意图；
图6是本发明实施例1的原理框图；
图7为本发明实施例2，一个步行周期内五个检测点的正应力随时间变化示意图；
图8为本发明实施例2，一个步行周期内一个检测点的足底前后方向的切应力随时间变化示意图；
图9为本发明实施例2的步行过程中，一个检测点的正应力的随时间变化示意图；
图10是本发明实施2的算法流程图。
图中：1、第一器件保护层，2、信号采集层，21、第一信号采集单元，211、第一电极，212、第二电极、213、第一压电薄膜，214、第二压电薄膜，215、第三电极，216、第三压电薄膜，217、第四电极，22、第二信号采集单元，23、第三信号采集单元，24、第四信号采集单元，25、第五信号采集单元，3、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 一种检测步行时足底三轴力的鞋垫
本实施例涉及一种检测步行时足底三轴力的鞋垫，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。如图1所示，信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层1、信号采集层2和第二器件保护层3；其中，信号采集层2设置有结构相同的第一～第五信号采集单元21～25，第一～第五信号采集单元21～25依次设置在与足跟、足中、第三跎骨、第一跎骨、第一趾相对应的位置。
如图2-图4所示，以第一信号采集单元21为例，它包括自下而上依次设置第一～第五层，第一层是第四电极217、第二层是第三压电薄膜216、第三层是第三电极215，第四层是第一压电薄膜213和第二压电薄膜214，第五层是第一电极211和第二电极212；其中，第一电极211和第四电极217都是圆形电极，第二电极212是包围第一电极211的带缺口的环形电极，第一电极211的输出引线从第二电极212的缺口处穿出，第四电极217的半径等于第二电极212的外环半径；第一压电薄膜213是与第一电极211半径相同的圆形压电薄膜，第二压电薄膜214是与第二电极212的内径、外径分别相同的环形压电薄膜。本实施例中，所有检测单元的第三电极215相连并共地，所有检测单元的第三压电薄膜216连接在一起，第一压电薄膜213和第二压电薄膜214选取相同的材料。
第一压电薄膜213以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（1）>> d33（1）>> d32（1）；第二压电薄膜214均以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（2）>> d33（2）>> d32（2）；第三压电薄膜216以纵向压电效应为主，其压电常数满足d33（3）>> d31（3）>> d32（3）。放置时，第一压电薄膜213和第三压电薄膜216的电轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上；第二压电薄膜214的机械轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上。第一电极211、第一压电薄膜213和第三电极215一起组成第一切应力采集组，第二电极212、第二压电薄膜214和第三电极215一起组成第二切应力采集组，第四电极217、第三压电薄膜216和第三电极215一起组成正应力采集组。
本实施例中，第一电极211和第二电极212的面积相等。
后端电路包括串接的信号处理电路、中央处理器、通讯设备和上位机。其中，信号处理电路包括并联的第一～第三信号处理电路；第一信号处理电路包括第一电荷放大器和第一模数转换器，第一电荷放大器的输入端与第一切应力采集组的信号输出端相连，第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连；第二信号处理电路包括第二电荷放大器和第二模数转换器，第二电荷放大器的输入端与第二切应力采集组的信号输出端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连；第三信号处理电路包括第三电荷放大器和第三模数转换器，第三电荷放大器的输入端与正应力采集组的信号输出端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连。
本实施例中的采集单元的个数和安装位置可以根据实际需要来改变。
实施例2 一种检测步行时足底三轴力的的方法
本实施例采用实施例1来实现，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，当传感器所受正应力发生变化时，第三压电薄膜216表面产生电荷；当传感器沿第一压电薄膜213方向所受切应力发生变化时，第一压电薄膜213表面产生电荷；当传感器沿第二压电薄膜214方向所受切应力发生变化时，第二压电薄膜214表面产生电荷；
二、本步骤包括依次进行的以下步骤，
（一）第一电荷放大器收集第一压电薄膜213表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜214表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜216表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；
（二）第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别输出至中央处理器；
（三）中央处理器对收到的数字信号赋予串口传输的次序后通过通讯设备将其发送至上位机；
（四）上位机根据来源于第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据来源于第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据来源于第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值。
从压电薄膜的设置的方向上明显可以看出，第一压电薄膜213用于检测足底前后方向的切应力，第二压电薄膜214用于检测足底内外方向的切应力。
如图7所示，是在一个步行周期内，第一～第五信号采集单元21～25所采集到的正应力随时间变化的信号，曲线a、b、c、d、e分别与第一～第五信号采集单元21～25的采集结果一一对应。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。
以第一信号采集单元21为例，在一个步行周期内，其采集到的足底前后方向的切应力随时间变化的信号大致如图8所示，图中，信号的正-负脉冲表示切应力方向向前，信号负-正脉冲表示切应力方向向后。
还是以第一信号采集单元21为例，在步行过程中，其所测得正应力的信号如图9所示，可由一段稳定步行时间内脉冲尖峰间隔的平均值求出步行周期，从而得出试穿者的步频/>：
周期的公式中/>用来计数。
数据处理：后端电路将所得收集的电荷信号放大，再经模数转换后依次通过中央处理器、通讯设备传递到上位机上。上位机计算所得的电压信号及后端电路输入输出关系，可以得到第一电极211、第二电极212、第四电极217上所采集到的电荷随时间变化的数据，按照力的方向，依次用,/>和/>表示；根据压电关系式及所选取的各个压电薄膜的压电常数大小，进行适当忽略，可以得到各个压电薄膜平面上采集到的电荷密度与正应力及切应力的关系式：
的计算公式中的/>的值始终为3。/>表示对压电材料施加的力的方向是3方向还是1方向。
其中，σ为与薄膜平面方向相垂直的正应力，τ为足底前后方向的切应力。
第一电极211 的面积、第二电极212的面积 />、第四电极217的面积 />分别为：
其中，R1代表第一电极211的半径长度，R2代表第二电极212的内环半径的长度，R3代表第四电极217的半径长度，因为第一电极211和第二电极212的面积相等，所以满足。
因此，足底三轴力随时间的变化可由下式联立解出：
、/>、/>分别代表足底正应力、足底前后方向的切应力、足底内外方向的切应力随时间的变化值，/>和/>为第i压电薄膜的压电常数。
第一压电薄膜213和第二压电薄膜214的材料相同，因此=/>，/>
如图10所示，是上述算法的流程图。

Claims (7)

1.一种检测步行时足底三轴力的传感器，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自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；
所述采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜；
所述第一压电薄膜以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（1）>> d33（1）>> d32（1）；第二压电薄膜均以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（2）>> d33（2）>> d32（2）；第三压电薄膜以纵向压电效应为主，其压电常数满足d33（3）>> d31（3）>> d32（3）；
所述第一电极、第一压电薄膜和第三电极一起组成第一切应力采集组，第二电极、第二压电薄膜和第三电极一起组成第二切应力采集组，第四电极、第三压电薄膜和第三电极一起组成正应力采集组；
所述采集单元的数量为至少一个；
第一压电薄膜和第三压电薄膜的电轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上；第二压电薄膜的机械轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上；
第一电极和第四电极都是圆形电极，第二电极是包围第一电极的带缺口的环形电极，第一电极的输出引线从第二电极的缺口处穿出，第四电极的半径等于第二电极的外环半径；第一压电薄膜是半径与第一电极半径相同的圆形薄膜，第二压电薄膜是内径、外径分别与第二电极的内径、外径相同的环形薄膜；
第一电极和第二电极的面积相等。
2.根据权利要求1所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：所述后端电路包括串接的信号处理电路、通讯设备和上位机；
所述信号处理电路包括并联的第一～第三信号处理电路；
所述第一信号处理电路包括第一电荷放大器和第一模数转换器，第一电荷放大器的输入端与第一切应力采集组的信号输出端相连，第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与通讯设备的第一输入端相连；
所述第二信号处理电路包括第二电荷放大器和第二模数转换器，第二电荷放大器的输入端与第二切应力采集组的信号输出端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与通讯设备的第二输入端相连；
所述第三信号处理电路包括第三电荷放大器和第三模数转换器，第三电荷放大器的输入端与正应力采集组的信号输出端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与通讯设备的第三输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；
所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：当采集单元的数量大于一个时，各个采集单元的第三电极共地。
5.一种检测步行时足底三轴力的方法，采用权利要求1-4任意一项所述的检测步行时足底三轴力的传感器实现，其特征在于，按照以下步骤顺序进行：
一、当传感器所受正应力发生变化时，第三压电薄膜表面产生电荷；当传感器沿第一压电薄膜方向所受切应力发生变化时，第一压电薄膜表面产生电荷；当传感器沿第二压电薄膜方向所受切应力发生变化时，第二压电薄膜表面产生电荷；
二、后端电路分别收集第一～第三压电薄膜表面产生的电荷并进一步处理，最终求出对应的正应力、第一切应力和第二切应力。
6.根据权利要求5所述的检测步行时足底三轴力的方法，其特征在于，所述后端电路包括串接的信号处理电路、通讯设备和上位机；
所述信号处理电路包括并联的第一～第三信号处理电路；
所述第一信号处理电路包括第一电荷放大器和第一模数转换器，第一电荷放大器的输入端与第一切应力采集组的信号输出端相连，第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与通讯设备的第一输入端相连；
所述第二信号处理电路包括第二电荷放大器和第二模数转换器，第二电荷放大器的输入端与第二切应力采集组的信号输出端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与通讯设备的第二输入端相连；
所述第三信号处理电路包括第三电荷放大器和第三模数转换器，第三电荷放大器的输入端与正应力采集组的信号输出端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与通讯设备的第三输入端相连；
所述步骤二按照以下步骤顺序进行：
（一）第一电荷放大器收集第一压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；
（二）第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别通过通讯设备输出至上位机；
（三）上位机根据从第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据从第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据从第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值；
所述第一切应力是足底前后方向的切应力，第二切应力是足底内外方向的切应力。
7.根据权利要求6所述的检测步行时足底三轴力的方法，其特征在于，所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；
所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连；
所述步骤二按照以下步骤顺序进行：
S1、第一电荷放大器收集第一压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；
S2、第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别输出至中央处理器；
S3、中央处理器对收到的数字信号赋予串口传输的次序后通过通讯设备将其发送至上位机；
S4、上位机根据来源于第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据来源于第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据来源于第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值。
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