CN111397774A - 一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置 - Google Patents

一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于分布式压力及位移测量相关技术领域，其公开了一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，所述测量装置包括保护层、多个柔性霍尔力位传感器、中间放置层及底板层，所述中间放置层设置在所述底板层上；多个所述柔性霍尔力位传感器间隔设置在所述中间放置层上；所述保护层设置在所述中间放置层上，其覆盖所述柔性霍尔力位传感器；所述柔性霍尔力位传感器通过形变来感测受到的压力，其在受到压力作用时产生相应的电压信号；所述测量装置还包括连接于所述柔性霍尔力位传感器的处理模块，所述处理模块用于采集所述柔性霍尔力位传感器产生的电压信号，并根据所述电压信号来计算获得压力值及位移值。本发明提高了效率，且功完善。

Description

一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置
技术领域
本发明属于分布式压力及位移测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置。
背景技术
在康复医疗和工业测量领域，经常涉及到分布式压力和接触面形状的测量，例如在足部医疗方面，对足部压力部分以及脚底形状检测进行定量分析，可以辅助医生做各种医疗诊断、手术评估、特殊人群步态评估、运动医学科研评估等，还可以帮助鞋厂进行鞋垫等设计。
目前，同时测量分布力和位移的装置很少，一般都是单独测量力，或者单独测量位移。常见的单独测量力的传感器按照结果形式可以分为：电容式、压阻式、应变式、压电式等，其中，压阻式和电容式压力传感器主要应用于分布力检测。
压阻式传感器具有灵敏度高、测量精度高等优点，然而其较容易受到时间和环境的影响，时漂和温漂较大，不同时间不同温度下传感器的灵敏度和测量精度的差别很大，需要反复校准。而电容式传感器虽然具有较低的温度系数、低功耗等优势，但是寄生电容的影响较大，而且需要较复杂的检测电路，对于分布式的测量需要较多的电容，对硬件设备的要求较高并且制作设备昂贵。此外，测量形状一般利用记忆合金材料的相变特性制作形状检测装置或者利用相机拍摄后进行图像处理，获取形状信息，一般设备都较为昂贵。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其是为克服目前常见压力分布测量技术中不能同时测量得到形状信息的缺陷，所述测量装置能够同时测量分布力和位移信息，不仅可以减少实验设备，获取更多有效信息，还可以缩短测量所需的时间，提高效率，从而完善压力测量的功能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，所述测量装置包括保护层、多个柔性霍尔力位传感器、中间放置层及底板层，所述中间放置层设置在所述底板层上；多个所述柔性霍尔力位传感器间隔设置在所述中间放置层上；所述保护层设置在所述中间放置层上，其覆盖所述柔性霍尔力位传感器；
所述柔性霍尔力位传感器通过形变来感测受到的压力，其在受到压力作用时产生相应的电压信号；所述测量装置还包括连接于所述柔性霍尔力位传感器的处理模块，所述处理模块用于采集所述柔性霍尔力位传感器产生的电压信号，并根据所述电压信号来计算获得压力值及位移值。
进一步地，所述保护层远离所述柔性霍尔力位传感器的表面上形成有多个凸起，多个所述凸起间隔设置。
进一步地，所述凸起开设有收容孔，所述收容孔用于收容部分所述柔性霍尔力位传感器。
进一步地，所述中间层开设有多个间隔设置的阶梯槽，所述阶梯槽用于收容部分所述柔性霍尔力位传感器以对所述柔性霍尔力位传感器进行限位。
进一步地，多个所述收容孔的位置分别与多个所述阶梯槽的位置相对应，且所述收容孔与所述阶梯槽共同用于收容所述柔性霍尔力位传感器。
进一步地，所述底板层开设有放线槽，所述放线槽用于收容所述柔性霍尔力位传感器的导线；所述导线连接于所述处理模块。
进一步地，所述柔性霍尔力位传感器通过形变来感测压力，其包括永磁体、柔性体及传感支撑层，所述柔性体设置在所述传感支撑层上，所述永磁体设置在所述柔性体上。
进一步地，所述柔性体为圆柱体，其远离所述传感支撑层的一端开设有圆形槽，所述永磁体设置在所述圆形槽内；所述传感支撑层包括线性霍尔传感器及托壳，所述托壳形成有第一凹槽，所述第一凹槽的底面形成有第二凹槽；所述柔性体部分地收容于所述第一凹槽内；所述线性霍尔传感器设置在所述第二凹槽内，其与所述柔性体相接触。
进一步地，所述保护层、中间放置层及所述底板层均是采用软材料制成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置主要具有以下有益效果：
1.所述柔性霍尔力位传感器通过形变来感测受到的压力，其在受到压力作用时产生相应的电压信号；所述测量装置还包括连接于所述柔性霍尔力位传感器的处理模块，所述处理模块用于采集所述柔性霍尔力位传感器产生的电压信号，并根据所述电压信号来计算获得压力值及位移值，结构简单，成本较低，且可以同时测量压力及位移。
2.所述测量装置既可用于压力分布测量，又可用于两个接触面形状检测；既可测量平面，也可测量曲面，帮助用户个性化设计坐垫、鞋垫等，又可帮助医生进行医疗诊断，满足了可靠性高、灵敏度高、结构简单等特点。
3.所述保护层远离所述柔性霍尔力位传感器的表面上形成有多个凸起，多个所述凸起间隔设置，如此提高了测量灵敏度。
4.所述测量装置可以广泛的运用在医疗康复领域和人体运动科学领域，特别是足部医疗、医院、鞋厂及运动员，对足部压力分布以及脚底形状检测进行定量分析，可以辅助医生做各种医疗诊断、手术评估、特殊人群步态评估、运动医学科研评估等；此外，所述测量装置还能够在工业测量领域中实现测量接触面的压力、形状分布图、检测轮胎纹路、坐垫舒适度等功能。
附图说明
图1是本发明提供的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置的示意图；
图2是图1中的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置的局部剖视图；
图3是图1中的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置的柔性霍尔力位传感器的示意图；
图4是图3中的柔性霍尔力位传感器的剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-保护层，2-柔性霍尔力位传感器，3-中间放置层，4-底板层，5-永磁体，6-柔性体，7-传感支撑层，71-线性霍尔传感器，72-托壳，73-导线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的基于霍尔效应的分布式柔性压力测量装置，所述测量装置包括保护层1、多个柔性霍尔力位传感器2、中间放置层3及底板层4，所述中间放置层3设置在所述底板层4上，多个所述柔性霍尔力位传感器2设置在所述中间放置层3上。所述保护层1设置在所述中间放置层3上，其覆盖所述柔性霍尔力位传感器2。
本实施方式中，所述柔性霍尔力位传感器2用于在受到压力作用时产生相应的电压信号，进而通过该电压信号来计算获得压力值和位移值；所述保护层1紧密贴合在所述柔性霍尔力位传感器2上；所述底板层4与所述中间放置层3紧密贴合。
所述保护层1是采用软材料制成的，其远离所述柔性霍尔力位传感器2的表面上设置有多个凸起，以提高检测灵敏度。本实施方式中，所述保护层1的厚度为1.5毫米左右。所述凸起开设有收容孔，所述收容孔用于收容部分所述柔性霍尔力位传感器2。所述中间放置层3是采用难压缩、易弯曲特性的软材料制成的，其开设有多个阶梯孔，所述阶梯孔用于对所述柔性霍尔力位传感器2进行限位；所述柔性霍尔力位传感器2部分地收容于所述阶梯孔内，且所述柔性霍尔力位传感器2与所述阶梯槽之间通过胶水相连接。多个所述阶梯孔的位置分别与多个所述收容孔的位置相对应。
所述底板层4是采用软材料制成的，其位于最底层。所述底板层4开设有放线槽，所述放线槽用于收容所述柔性霍尔力位传感器2的导线73。所述测量装置通过所述导线73将检测到的电压信号传输给所述处理模块，所述处理模块依据接受到的所述电压信号计算出压力值和位移值。
所述保护层1、所述中间放置层3及底板层4均开有4个通孔，所述通孔之间相互对应，所述通孔与圆柱销相配合以进行定位。
所述柔性霍尔力位传感器2通过形变来感测压力，其包括永磁体5、柔性体6及传感支撑层7，所述柔性体6设置在所述传感支撑层7上，所述永磁体5设置在所述柔性体6上。
所述柔性霍尔力位传感器2基本为阶梯状的圆柱体，所述永磁体5为圆柱体；所述柔性体6为圆柱体，其远离所述传感支撑层7的一端开设有圆形槽，所述永磁体5设置在所述圆形槽内。本实施方式中，所述柔性体6是由Ecoflex或其他软材料通过模具加工而成。
所述传感支撑层7包括线性霍尔传感器71及托壳72，所述托壳72形成有第一凹槽，所述第一凹槽的底面形成有第二凹槽。所述柔性体6部分地收容于所述第一凹槽内。所述线性霍尔传感器71设置在所述第二凹槽内，其与所述柔性体6相接触。所述线性霍尔传感器71连接有导线73，所述导线73穿过所述第二凹槽。
本实施方式中，所述永磁体5与所述柔性体6之间、所述柔性体6与所述线性霍尔传感器71之间、所述线性霍尔传感器与所述托壳72之间均是通过胶水进行固连的。
当外力作用于所述测量装置，所述柔性体6产生变形，并带动所述永磁体1沿竖直方向移动，使得所述线性霍尔传感器71处的磁通量发生改变，从而检测到压力和位移信息。
多个所述柔性霍尔力位传感器2的导线73连接到所述处理模块，可以由电压输入模块完成，以实现多通道采集。所述处理模块内集成有模数转换器，以将所述柔性霍尔力位传感器2采集到的模拟电压数值转换为数字量，通过Labview实现显示功能。除此之外，还可以通过CD4051扩展AD口用STM32等实现。
所述测量装置采用柔性霍尔力位传感器2的感应磁通量变化的方式来计算软材料的位移及各个受力单元的压力值，从而完成了单独的压力测量、分布力的测量以及位移测量，满足了可靠性高、灵敏度高、结构简单等特点。同时，所述测量装置可以广泛的应用在医疗康复领域和人体运动科学领域，特别是足部医疗、医院、鞋厂、运动员，对足部压力分布及脚底形状检测进行定量分析，可以辅助医生做各种医疗诊断、手术评估、特殊人员步态评估、运动医学科研评估等。此外，所述测量装置还能够在工业测量领域中实现测量接触面的压力、形状分布图、检测轮胎纹路、坐垫舒适度等测量功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：
所述测量装置包括保护层(1)、多个柔性霍尔力位传感器(2)、中间放置层(3)及底板层(4)，所述中间放置层(3)设置在所述底板层(4)上；多个所述柔性霍尔力位传感器(2)间隔设置在所述中间放置层(3)上；所述保护层(1)设置在所述中间放置层(3)上，其覆盖所述柔性霍尔力位传感器(2)；
所述柔性霍尔力位传感器(2)通过形变来感测受到的压力，其在受到压力作用时产生相应的电压信号；所述测量装置还包括连接于所述柔性霍尔力位传感器(2)的处理模块，所述处理模块用于采集所述柔性霍尔力位传感器(2)产生的电压信号，并根据所述电压信号来计算获得压力值及位移值。
2.如权利要求1所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述保护层(1)远离所述柔性霍尔力位传感器(2)的表面上形成有多个凸起，多个所述凸起间隔设置。
3.如权利要求2所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述凸起开设有收容孔，所述收容孔用于收容部分所述柔性霍尔力位传感器(2)。
4.如权利要求3所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述中间层开设有多个间隔设置的阶梯槽，所述阶梯槽用于收容部分所述柔性霍尔力位传感器(2)以对所述柔性霍尔力位传感器(2)进行限位。
5.如权利要求4所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：多个所述收容孔的位置分别与多个所述阶梯槽的位置相对应，且所述收容孔与所述阶梯槽共同用于收容所述柔性霍尔力位传感器(2)。
6.如权利要求1所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述底板层(4)开设有放线槽，所述放线槽用于收容所述柔性霍尔力位传感器(2)的导线(73)；所述导线(73)连接于所述处理模块。
7.如权利要求1所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述柔性霍尔力位传感器(2)通过形变来感测压力，其包括永磁体(5)、柔性体(6)及传感支撑层(7)，所述柔性体(6)设置在所述传感支撑层(7)上，所述永磁体(5)设置在所述柔性体(6)上。
8.如权利要求7所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述柔性体(6)为圆柱体，其远离所述传感支撑层(7)的一端开设有圆形槽，所述永磁体(5)设置在所述圆形槽内；所述传感支撑层(7)包括线性霍尔传感器(71)及托壳(72)，所述托壳(72)形成有第一凹槽，所述第一凹槽的底面形成有第二凹槽；所述柔性体(6)部分地收容于所述第一凹槽内；所述线性霍尔传感器(71)设置在所述第二凹槽内，其与所述柔性体(6)相接触。
9.如权利要求1-8任一项所述的基于霍尔效应的分布式柔性力位测量装置，其特征在于：所述保护层(1)、中间放置层(3)及所述底板层(4)均是采用软材料制成的。
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