CN201382838Y - 大面积压力分布信号采集系统 - Google Patents

Abstract

一种大面积压力分布信号采集系统，传感单元为包括上层板和下层板的膜式压力传感测量器，上层板和下层板的其中一面上均间隔分布有平行的敷铜，敷铜上间隔分布有导电橡胶，上层板上的导电橡胶和下层板上的导电橡胶相接触在一起，成为传感点，传感点的数量为20×30个，且上层板上的敷铜与下层板上的敷铜交叉相向；所述上层板上的敷铜与一个上层板多路复用器的通道输入端连接，所述下层板上的敷铜与下层板多路复用器的通道输入端连接。本系统是一种基于导电橡胶作为敏感元件的大面积压力分布测量装置，可靠性高、精度高、成本低，可实时动态测量大面积范围内平面和曲面的压力分布，尤其适用于测量曲面压力分布情况。

Description

大面积压力分布信号采集系统

技术领域

本实用新型属于压力测量技术领域，特别是一种用于测量平面或曲面压力分布情况的测试系统。

背景技术

随着科技的发展，接触压力检测的需求也越来越多。传统接触压力检测大多集中于单点检测。但是很多行业都需要同时测量多点，得到接触压力的分布情况。工业上，曲面压力的检测是近些年研究的一个热点。检测曲面压力分布情况通常安放多个传感点，传感单元采用导电颗粒填充的橡胶。当外界施加压力时，导电橡胶的电阻发生变化，进而引起电压降的变化。通过检测电压降，进而得到外界压力的大小和分布情况。医学上，体压分布的测量一直都是研究热点。对于半身不遂的人，长期坐卧容易导致很多疾病。人们希望能检测到病人坐卧的受力情况，进而找到合适的减压方法。此外，足底压力分布可以反映一个人的身体健康，比如判断是否得了糖尿病以及病情程度如何。

目前市场上较多的是采用应变片作为压力敏感元件，如专利CN2540911，测量对象是悬臂梁应变式压力传感器，然而使用应变片作为传感元件，对两传感点之间的距离有一定限制，而且成本稍高，不适合测量足部等大面积平面和曲面的压力分布情况。专利CN201060206可以测量足底压力，但是测量点数较少。美国Tekscan公司的专利US 5505072为了测量宽范围的压力变化，设计了可变增益的电路，但这种方法成本太高。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种大面积压力分布信号采集系统，要解决传统的压力测试系统不适合测量大面积曲面的压力分布情况的技术问题；并解决传统的压力测试系统可靠性低、精度低、成本高的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大面积压力分布信号采集系统，包括一可感知外界压力的传感单元，一可将传感单元感知的外界压力转换成压力信号的A/D转换单元，一可选择传感单元的传感点进行电压转换的控制单元，一可将控制单元得到的压力信号传送给上位机的USB单元，其特征在于：

所述传感单元为包括上层板和下层板的膜式压力传感测量器，上层板和下层板的其中一面上均间隔分布有平行的敷铜，敷铜上间隔分布有导电橡胶，上层板上的导电橡胶和下层板上的导电橡胶相接触在一起，成为传感点，传感点的数量为20×30个，且上层板上的敷铜与下层板上的敷铜交叉相向；所述上层板上的敷铜与一个上层板多路复用器的通道输入端连接，所述下层板上的敷铜与下层板多路复用器的通道输入端连接。

所述控制单元是一个主控芯片，主控芯片的一个信号输入端与上层板多路复用器之两个信号输出端和使能端连接，主控芯片的另一个信号输入端与下层板多路复用器之两个信号输出端和使能端连接，上层板多路复用器的COM1端与A/D转换单元的信号输入端连接，上述COM1端还经一精密电阻与稳压芯片连接，所述下层板多路复用器的COM2端接地。

A/D转换单元的信号输入端与上层板多路复用器的COM1端连接，A/D转换单元的信号输出端与USB单元连接。

主控芯片的另外两个信号输入端可与一个标识多路复用器的输出通道和使能端连接。

所述上层板与下层板均可为柔性的PCB板，即印刷电路板。

所述A/D转换单元和USB单元可集合成一个采集卡。

所述传感单元上的导电橡胶直径不小于4mm，传感点之间的距离为不小于5mm。

所述传感单元中的传感点可为等间距分布或不等间距分布。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型是为了针对目前市场上的广泛接触压力分布测量需求，克服已有技术的不足之处，提出的一种基于导电橡胶作为敏感元件的大面积压力分布测量装置，其配合相应的压力数据采集电路，可实时动态测量大面积范围内平面和曲面的压力分布，适用于测量足底、股底等地方的压力分布情况。

本实用新型采用导电橡胶作为敏感元件，可以测量大面积压力分布，传感点距离最短可以达到5mm。本实用新型在保证测量性能的基础上有效降低了成本，其首先先确定使用背景情况，然后选择一款电阻在一定范围内会产生变化的导电橡胶作为敏感元件，并使用一个高精度、低温漂的电阻进行分压，既简化了电路，节约了成本，也保证了测量精度。本实用新型由压力信号采集装置和上位机处理软件两部分组成，两者之间通过USB接口相连，可测量大面积平面或曲面压力的分布情况。

对于大面积阵列测量，如何定位起始点是非常重要的工作，本实用新型采用一片标示多路复用器连接在控制单元的主控芯片或多路复用器剩余的多路复用端口上产生标识电平，从而确定起始位置，精确定位被测点，标识信号由一系列的电平组成，当电平为低时，精密电阻直接接地，A/D口的分压为零，当电平为高时，精密电阻和导电橡胶串联后接地，A/D口的分压即为导电橡胶的分压。由于导电橡胶在无压力下电阻很大，所以此时A/D口的分压接近于电源电压。标识电平为整个循环的开始的标识信号，有了该标识信号，就可以有效确定起始点，从而将数据和实际测量点对应起来，即使使用过程中产生断电、USB偶然工作异常等情况，造成了采样数据受到破坏，下一帧数据也会得到可靠保证。本实用新型每次循环之前都会检测标识信号，可以保证数据的有效性。

不同的季节平均温度有一定差异，同一天，白天和晚上温度也有差异，温度的变化会给测量结果带来一定影响，而本实用新型使用高精度、低温漂的精密电阻分压，适用于一年四季各种常见天气温度，同时，只用一个电阻进行分压，简化了电路设计，提高了系统可靠性，节省了成本。实验表明，对于本实用新型实施例中足底压力的测量，速度可以达到60帧/s，在压力范围0～3×105千帕之内(对应电阻在1-30K之间)，最大相对误差小于5％。

本实用新型可快速诊断出站立和运动中的脚部功能和脚部畸形的状态。其可以分析受试者走路时足底各个部位的压强、冲量、时间特性以及足的内外翻特征，以及走路时重心的位移变化情况等。可以提供有关下肢承受力及各肌肉在行走中的作用的重要资料。动态测量还可真正测出行走时足部的负荷。例如：步伐长度和阔度的改变，内翻足和外翻足的位置，足部接触地面的面积，脚趾、关节、韧带等等的功能。

本实用新型也可做静态测量，也可以记录动态数据。可用于：康复评估、糖尿病足诊断与分析、辅助改良鞋的设计和矫形鞋的设计、鞋履研究和开发、步态分析、运动生物力学研究、各种体育运动的现场测试、长期运动负荷的监测。

本实用新型不仅是一套压力分布测试系统，更可用于下肢及足部的诊断，例如，可用于骨科的足病诊断，如拇外翻现象，跟腱炎，横弓塌陷、扁平足，胫骨损伤等，本实用新型还可用于糖尿病患者--溃疡高危区域的诊断，这是因为糖尿病患者由于末梢血管循环不良，在肢体的远端常常容易发生不良病变，由手脚部长期在鞋中受到挤压，更容易溃烂，即形成糖尿病足，本实用新型可以获得糖尿病患者足底的精确压力分布值，然后分析详尽的足底动态压力分布图就可以很容易地识别神经病变性糖尿病足。

本实用新型的工作原理：传感单元为导电橡胶，其阻值和外界压力成对应关系，当外界施加压力时，导电橡胶的阻值发生变化，进而引起被测电压的变化，检测电压的变化，就可以计算出外界压力的大小，控制电路通过特定时序选择不同的传感点，循环遍历，就可以得到整个测量平面或曲面的压力分布情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图2为20×30阵列的传感单元的上层板的结构示意图。

图3为20×30阵列的传感单元的下层板的结构示意图。

图4为20×30阵列的传感单元的压力数据采集电路实施例一的示意图。

图5为20×30阵列的传感单元的压力数据采集电路实施例二的示意图。

图6为控制单元主控芯片的程序流程示意图。

图7为上位机处理软件的程序流程示意图。

附图标记：1-膜式压力传感测量器、1.1-上层板、1.2-下层板、1.3-敷铜、1.4-导电橡胶、2-下层板多路复用器、3-上层板多路复用器、4-标识多路复用器。

具体实施方式

实施例参见图1所示，这种大面积压力分布信号采集系统，包括一可感知外界压力的传感单元，一可将传感单元感知的外界压力转换成压力信号的A/D转换单元，一可选择传感单元的传感点进行电压转换的控制单元，一可将控制单元得到的压力信号传送给上位机的USB单元。本实用新型采用一片多路复用芯片或剩余的多路复用端口产生标识信号，从而确定起始位置。为保证数据的有效性，每次循环检测之前均需要检测标识信号。

以足底压力作为实施例的测量对象，结合各附图及实施例详细说明如下：

本实用新型大面积压力分布信号采集电路系统的组成如图1-3所示，由压力信号采集装置和上位机处理软件两部分组成，压力信号采集装置由控制单元、传感单元、A/D转换单元和USB单元组成。在所述的控制单元中，主控芯片通过IO口和多路复用器选择传感单元中的特定行和特定列，进而选择某一个传感点，当选择了特定传感点之后，主控芯片控制A/D转换单元进行电压转换，得到的压力信号数据通过USB单元传送给上位机处理软件。所述的上位机处理软件，利用预先标定好的程序计算传感点压力大小。然后对数据进行分析，包括绘图、诊断等功能。

本实施例的传感单元结构如图2、图3所示。所述传感单元为包括上层板1.1和下层板1.2的膜式压力传感测量器1，上层板1.1和下层板1.2的其中一面上均间隔分布有平行的敷铜1.3，敷铜1.3上间隔分布有导电橡胶1.4，上层板1.1上的导电橡胶和下层板1.2上的导电橡胶相接触在一起，成为传感点，传感点的数量为20×30个，且上层板上的敷铜与下层板上的敷铜交叉相向；所述上层板1.1上的敷铜与一个上层板多路复用器3的通道输入端连接，所述下层板1.2上的敷铜与下层板多路复用器2的通道输入端连接。

所述的传感单元由上、下层板和中间导电橡胶层构成，所述上层板1.1与下层板1.2均为柔性的PCB板，只有一面敷铜，上、下层板通过敷铜和导电橡胶接触，其它区域均绝缘。图2为上层板，图3为下层板，导电层均为柔性的PCB板，只有一面敷铜。相邻两个导电橡胶的外边缘之间的距离即为传感点之间的距离。考虑到导电橡胶有一定的尺寸要求，而且受压后会有一定的膨胀，传感单元上的导电橡胶直径不小于4mm，传感点之间的距离为不小于5mm。传感单元中的传感点为等间距分布或不等间距分布。在本实施例中，我们选用的是6mm的打孔器，因此导电橡胶的直径也为6mm，厚度为1mm。传感点之间的距离为12mm。上下层板的敷铜直径为6mm。导电橡胶为普通的碳黑填充硅橡胶。该传感单元可以测量大面积平面或曲面压力。

图4和图5为本实施例的压力数据采集电路图。所述控制单元是一个主控芯片，主控芯片的一个信号输入端与上层板多路复用器之两个信号输出端和使能端连接，主控芯片的另一个信号输入端与下层板多路复用器之两个信号输出端和使能端连接，上层板多路复用器3的COM1端与A/D转换单元的信号输入端连接，上述COM1端还经一精密电阻与稳压芯片连接，所述下层板多路复用器的COM2端接地。本实施例为20×30阵列，传感单元中的20×30个传感点分别为S1～S600，标示在上层板。稳压芯片VCC(5V稳压源)和精密电阻R_精密相连，然后连接S1～S600中被选择的传感点，该传感点通过导电橡胶连接到下层板9.2，再连接到模拟地。上层板分成4行，下层板分成4列。在所述的控制单元中，主控芯片通过IO口和多路复用器选择传感单元中的特定行和特定列，进而选择某一个传感点。本实施例中，如果主控芯片选择下层板多路复用器12的IO1和IO0分别为低电平和高电平，则选通了下层板多路复用器12的C1端，即选通了下底板的第2列。如果主控芯片选择上层板多路复用器13的IO1和IO0分别为高电平和低电平，则选通了上层板多路复用器13的C2端，即选通了上层板的第2行。这样，S6即为选中的传感点。

当在上层板上施加压力，导电橡胶的阻值发生变化，X点的电压降也会发生改变。通过检测X点的电压，可以推导出压力大小。控制电路按照某一顺序选择S1～S600后，启动A/D转换单元，转换得到的压力数据通过USB单元传送给上位机处理软件。

对于导电橡胶，我们知道外界施加的力P和其阻值R_S有对应关系：

由于存在渗流区域，压力P和阻值R_S成反比关系。导电橡胶的阻值和X点的电压的对应关系为：

其中V_X为X点的电压；Vcc为稳压芯片；R_精密为精密电阻的阻值；R_S为被选择的S1-S600传感点中导电橡胶的阻值；R_m为多路复用器电阻。从公式上可以看出，V_X和R_S成正比，但不是线性关系。本实施例中，Vcc为5V，R_S的变化范围为1-30KΩ，取R_精密为15KΩ。

本实施例中，稳压芯片为MAXIM公司的MAX603。该芯片固定输出5V电压，最大输出电流可达500mA。关于该芯片的详细资料可参考MAXIM的官方网站“www.maxim-ic.com.cn”。

本实施例中，精密电阻为北京尼吉电子技术有限公司生产的精密电阻，阻值为15.1KΩ，温度漂移低于±10ppm℃。在压力范围0～3×105千帕之内(对应电阻在1-30K之间)，最大相对误差小于5％。

为了标识整个循环的开始，需要产生标识信号，为了产生标识位，除了软件程序，硬件上还需要另外的端口，一般利用多路复用器剩余的复用端口，如果有剩余的复用端口，则利用主控芯片就可以控制其端口，不过要事先将被复用的端口一个置高电平，一个置低电平。参见图5中的实施例二，下层板多路复用器2和上层板多路复用器3为16选1多路复用器MAX396，共4片，所以是有剩余的复用端口，可直接使用。关于该多路复用器的详细资料可参考MAXIM的官方网站“www.maxim-ic.com.cn”。

如果没有剩余的复用端口，则需要重新选择一个标识多路复用器，标识多路复用器用来标识是否开始新的循环。将其连接到控制单元的主控芯片上。参见图4中的实施例一，需要选用标识多路复用器4，将标识多路复用器4连接到控制单元的主控芯片上，主控芯片的另外两个信号输入端与一个标识多路复用器4的输出通道和使能端连接，实施例一中，选用一片2选1多路复用器MAX4780即可以满足系统需求。MAX4780含有四个2选1模块，TTL/CMOS电平兼容，工作电压范围为+1.6V至+4.2V。关于该2选1多路复用器的详细资料可参考MAXIM的官方网站“www.maxim-ic.com.cn”。

控制单元的主控芯片可以是DSP、ARM、CPLD/FPGA和普通单片机。为了提高系统速度，一般不使用普通的单片机。本实施选择TI公司的TMS320F2812，该芯片的外部晶振30M，经5倍频后系统主频可以达到150M。

本实施例中，A/D转换单元的信号输入端与上层板多路复用器3的COM1端连接，A/D转换单元的信号输出端与USB单元连接。所述A/D转换单元和USB单元集合成一个采集卡。A/D转换单元可以选用高速A/D转换芯片，比如MAXIM公司的MAX1336。USB单元可以选用Cypress公司的Cy7c68001，也可以选用西安达泰电子有限责任公司的USB20C。除此之外，市场上有成型技术的USB采集卡，可以实现上图中的A/D转换和USB通信两个功能。本实施选择了北京优采测控技术有限公司的UA307A采集卡，该采集卡分辨率为16位，最高采样频率为500KHz。UA307A可以实现外脉冲触发采样，每个外脉冲各通道快速采样一次，方便受主控芯片控制。关于该采集卡的详细资料可参考公司网站“www.addatech.net”。

图6为控制单元主控芯片的程序流程图。控制单元主控芯片首先系统初始化，然而控制2选1多路复用器，产生标识电平。本实施例中，标识电平为0101，具体产生过程可参考对图5的解释。标识电平表明重新开始扫描整个压力数据采集电路。

初始化传感点i＝0。控制下层板多路复用器2和上层板多路复用器3，选择特定的行和列，进而选择第i个传感点(控制时序见图5)。启动A/D转换。i＝i+1，如果i未到600，继续控制下层板多路复用器2和上层板多路复用器3选择第i个传感点。如果i已经为600，表明一次全盘扫描完毕，重新开始从第0传感点开始扫描。本实施例为20×30的阵列，每次循环都产生0101的标识位相对占用资源较多，可以只在初始化时候产生一次标识位即可。对于大面积阵列，每次循环产生一次标识位，有利于精确定位，使测量结果更加可靠准确。

图7为上位机处理软件程序流程图。上位机首先进行系统和硬件初始化，本实施主要是初始化UA307A采集卡，设定采样通道和采样速率。然而从采集卡中读取数据，分析得到标识电平的位置，进而确定压力数据的起始位置，得到有效数据。程序利用预先标定好的程序计算传感点压力大小。然后对数据进行分析，包括绘图、诊断等功能。

Claims (6)

1.一种大面积压力分布信号采集系统，包括一可感知外界压力的传感单元，一可将传感单元感知的外界压力转换成压力信号的A/D转换单元，一可选择传感单元的传感点进行电压转换的控制单元，一可将控制单元得到的压力信号传送给上位机的USB单元，其特征在于：

所述传感单元为包括上层板(1.1)和下层板(1.2)的膜式压力传感测量器(1)，上层板(1.1)和下层板(1.2)的其中一面上均间隔分布有平行的敷铜(1.3)，敷铜(1.3)上间隔分布有导电橡胶(1.4)，上层板(1.1)上的导电橡胶和下层板(1.2)上的导电橡胶相接触在一起，成为传感点，传感点的数量为20×30个，且上层板上的敷铜与下层板上的敷铜交叉相向；所述上层板(1.1)上的敷铜与一个上层板多路复用器(3)的通道输入端连接，所述下层板(1.2)上的敷铜与下层板多路复用器(2)的通道输入端连接；

所述控制单元是一个主控芯片，主控芯片的一个信号输入端与上层板多路复用器之两个信号输出端和使能端连接，主控芯片的另一个信号输入端与下层板多路复用器之两个信号输出端和使能端连接，上层板多路复用器(3)的COM1端与A/D转换单元的信号输入端连接，上述COM1端还经一精密电阻与稳压芯片连接，所述下层板多路复用器的COM2端接地；

A/D转换单元的信号输入端与上层板多路复用器(3)的COM1端连接，A/D转换单元的信号输出端与USB单元连接。

2.根据权利要求1所述的大面积压力分布信号采集系统，其特征在于：所述主控芯片的另外两个信号输入端与一个标识多路复用器(4)的输出通道和使能端连接。

3.根据权利要求1所述的大面积压力分布信号采集系统，其特征在于：所述上层板(1.1)与下层板(1.2)均为柔性的PCB板。

4.根据权利要求1所述的大面积压力分布信号采集系统，其特征在于：所述A/D转换单元和USB单元集合成一个采集卡。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的大面积压力分布信号采集系统，其特征在于：所述传感单元上的导电橡胶直径不小于4mm，传感点之间的距离为不小于5mm。

6.根据权利要求5所述的大面积压力分布信号采集系统，其特征在于：所述传感单元中的传感点为等间距分布或不等间距分布。

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