CN202403729U - 基于压电传感器的运动参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于压电传感器的运动参数测量的装置，该装置包括：压电传感器，用于在弯曲时产生电压；电压测量单元，用于获取压电传感器产生的峰值电压大小；计算处理单元，用于将该峰值电压大小转换成压电传感器的最大弯曲角度；该压电传感器的最大弯曲角度与脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度相对应；该计算处理单元根据脚背和脚趾连接处弯曲的角度以及腿的长短计算单步的跨度。本实用新型的测量装置具有使用测量准确、寿命长、方便携带以及数据处理能力速度快的优点。
Description
【技术领域】
本实用新型属于传感器技术领域，涉及一种基于压电传感器的运动参数测量装置。
【背景技术】
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变时(包括弯曲和伸缩形变)，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电传感器结构简单、体积小、质量轻、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。
压电传感器主要应用于力测量、以及加速度测量等领域，由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电传感器不能用于静态测量，只能应用于动态测量，压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路一定的电流，故只适用于动态测量。压电传感器输出的直流相应差，但是需要采用输入阻抗电路或者电荷放大器来克服这一缺陷。压电传感器广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。
在生物医学领域，压电传感器主要应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。很多电子听诊器都采用了压电薄膜作为传感器元件，因为它耐用，灵敏度高，带宽范围宽。在该应用中，传感器元件通常都封装在传统的金属听诊头中，因为传感器需要与身体形成‘作用力’。一旦动态的压力信号转换成电信号，就可以有选择性的过滤或放大、作为音频信号回放、运用更复杂的运算方法判断出具体的状况、或传输到远程基站进行进一步分析存储等。但是在人体运动参数的测量方面却没有任何应用。
【实用新型内容】
本实用新型的目的就是为了解决现有技术存在的问题，提出了一种基于压电传感器的运动参数测量的方法和装置。
本实用新型提供一种基于压电传感器的运动参数测量的装置，其特征在于，该装置包括：
压电传感器，用于在弯曲时产生电压；
电压测量单元，用于获取压电传感器产生的峰值电压大小；
计算处理单元，用于将该峰值电压大小转换成压电传感器的最大弯曲角度；该压电传感器的最大弯曲角度与脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度相对应；
该计算处理单元根据脚背和脚趾连接处弯曲的角度以及腿的长短计算单步的跨度。
所述电压测量单元还用于获取压电传感器产生峰值电压所间隔的时间；
所述计算处理单元还用于将该峰值电压间隔的时间转换成压电传感器弯曲的频率；该压电传感器弯曲的频率与脚背和脚趾连接处弯曲的频率相对应；
该计算处理单元根据脚背和脚趾连接处弯曲的频率以及单步的跨度计算行进的即时速度。
该计算处理单元还根据行进的即时速度以及体重计算运动消耗的能量。
所述压电传感器设置于鞋帮内，且压电传感器的一端位于脚背位置处，另一端位于脚趾位置处。
该装置还包括无线发端单元和无线接收单元，所述电压测量单元将压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数通过无线发送单元发送给无线接收单元，该无线接收单元将压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数发送给计算处理单元计算和处理。
本实用新型有益的技术效果在于：
相较于现有技术，本实用新型依据人体运动学的原理，将压电传感器设置于鞋帮内，且压电传感器的一端位于脚背位置处，另一端位于脚趾位置处，并且获取压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数来计算人体运动参数，不仅能够获取人体单步行进的跨度，同时能够获取人体行进的即时速度，从而进一步获取人体运动消耗的能量，相较于现有技术来说，具有方法简单，测量准确，而且由于压电传感器灵敏度高，所以数据获取及时精确，同时由于压电传感器使用寿命长，所以本实用新型的测量装置还具有使用寿命长的优点。
电压测量单元将压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数通过无线发送单元发送给无线接收单元，该无线接收单元将压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数发送给计算处理单元计算和处理，从而将最复杂的数据处理交给设置在鞋帮外的计算处理单元完成，能够使得该装置设置于鞋帮内的部分体积很小，而体积稍大的计算机处理单元设置在鞋帮外，可由其他方式携带，使得本测量装置更加实用，数据处理能力速度更快。
【附图说明】
图1为本实用新型实施例1基于压电传感器的运动参数测量的方法流程图；
图2为本实用新型压电传感器所设置的位置示意图；
图3为本实用新型基于压电传感器的运动参数测量的装置方框示意图；
图4为本实用新型实施例2基于压电传感器的运动参数测量的方法流程图；
图5为本实用新型实施例3基于压电传感器的运动参数测量的方法流程图。
【具体实施方式】
为了使实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及最优的实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的最优的实施例仅用以解释本实用新型，并不用来限定本实用新型。
本实用新型的原理如下：
由于人体在运动，特别是在跑步的时候，人体的脚背和脚趾的连接处会有弯折，当人体跑步所迈的步子越大，其弯折的角度越大，而且同一个人跑步速度越快，其一定的时间内，所迈的步子越多，则脚背和脚趾的连接处弯折的频率越高，获取人体的脚背和脚趾的连接处弯折的角度和弯曲的频率即可获知一个人跑步或者走路的即时速度，从而为其他运动参数的获取打下基础。
实施例1
依据于上述原理，如图1所示，本实用新型提出了一种基于压电传感器的运动参数测量的方法，该方法包括如下步骤：
S1：获取压电传感器产生的峰值电压大小；
压电传感器产生的电量经回路形成电流后，经过放大电路后检测出压电传感器弯曲度为最大时产生的峰值电压大小。
S2：将该峰值电压大小转换成压电传感器的最大弯曲角度；
每一个压电传感器所产生的电压与压电传感器的弯曲角度是成正比的，通过压电传感器产生的峰值电压大小可以计算出压电传感器的最大弯曲角度。而如图2所示，该压电传感器设置于鞋帮(图中未示)内，且压电传感器10的一端位于脚背20位置处，另一端位于脚趾30位置处，所以压电传感器的最大弯曲角度是与人体的脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度是相对应的，即当人体的脚背和脚趾连接处的弯曲角度最大时，压电传感器弯曲角度也最大，虽然限制鞋材的原因，人体的脚背和脚趾连接处的弯曲角度与压电传感器弯曲角度不一定相同，但是其还是可以根据数据初始化校正进行同步的。例如，在跑步之前，对人体脚背和脚趾连接处弯曲各种角度时压电传感器产的电压进行采集，即对人体跑步处于各种状态时的压电传感器产生的电压进行采集，从而可以判断出压电传感器的弯曲角度与人体跑步跨度之间的对应关系。
S3：根据脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度以及腿的长短计算单步的跨度。
脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度乘以腿的长度即为人体单步的跨度。这一单步跨度是跑步姿势合乎规范的情况下的单步跨度，而不一定每一个人跑步姿势都合乎标准，所以实际上每个人在使脚背和脚趾连接处弯曲不同角度时，其单步跨度都因其姿势不一样，通过实际测量单步跨度与理论计算的单步跨度是否相同，可以判定人跑步的姿势是否合乎规范。
根据上述的基于压电传感器的运动参数测量的方法，本实施例还提供了一种基于压电传感器的运动参数测量的装置，如图3所示，该装置包括：设置于鞋帮内的压电传感器，该压电传感器用于在弯曲时产生电压；电压测量单元，所述电压测量单元用于获取压电传感器产生的峰值电压大小；所述压电传感器产生电压经放电电路进行信号放大，放大的电压信号被电压测量单元所捕获，所述电压测量单元将压电传感器产生的峰值电压大小通过蓝牙发射器发送给设置于远端；所述蓝牙发射器、放大电路、电压测量单元和压电传感器均设置于鞋帮内，所述蓝牙发射器、电压测量单元连接第一供电模块。
该装置还包括设置于远端的蓝牙接收器，所述蓝牙接收器获取所述峰值电压大小，并将该峰值电压数据发送给计算处理单元，所述计算处理单元用于将该峰值电压大小转换成压电传感器的最大弯曲角度；该压电传感器的最大弯曲角度与脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度相对应；所述计算处理单元根据再脚背和脚趾连接处弯曲的角度以及腿的长短计算单步的跨度。
蓝牙接收器、计算处理单元连接第二供电模块，该蓝牙接收器、计算处理单元以及第二供电模块设置于远端，可封装在一起并固定于身体的某一部位。
实施例2
在上述实施例1的基础之上，如图4所示，本实用新型提供了另外一种基于压电传感器的运动参数测量的方法，该方法包括如下步骤：
T1：获取压电传感器产生的峰值电压大小；
T2：获取压电传感器产生峰值电压所间隔的时间；
由于压电传感器只有在弯曲最大时才会产生最大电压，而压电传感器设置在人体脚背和脚趾连接处，则压电传感器只有在人体跑步或者行走时迈步最大时才会产生最大电压，所以根据获取压电传感器产生的峰值电压所间隔的时间，即可判断出人体完成一个跑步动作所需要的时间，从而可以获知作出跨腿动作的频率。
T3：将该峰值电压大小转换成压电传感器的最大弯曲角度；
T4：将该峰值电压间隔的时间转换成压电传感器弯曲的频率；
T5：根据脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度以及腿的长短计算单步的跨度；
T6：根据脚背和脚趾连接处弯曲的频率以及单步的跨度计算行进的即时速度。
脚背和脚趾连接处弯曲的频率乘以单步的跨度再乘以2等于人体跑步或者走路时行进的即时速度，同理该即时速度也为理论速度，而如果实际中能够测算出人体行进的平均速度，即可判断他在各个阶段的加速和减速情况，从而为研究出科学运动并且规范人体的运动方式提供数据支持。
根据上述的基于压电传感器的运动参数测量的方法，本实施例也提供了一种基于压电传感器的运动参数测量的装置，如图3所示，与是实施例1不同的是：
所述电压测量单元还用于获取压电传感器产生峰值电压所间隔的时间；
所述计算处理单元还用于将该峰值电压间隔的时间转换成压电传感器弯曲的频率；该压电传感器弯曲的频率与脚背和脚趾连接处弯曲的频率相对应；
该计算处理单元根据脚背和脚趾连接处弯曲的频率以及单步的跨度计算行进的即时速度。
所述蓝牙发射器将电压测量单元获取的压电传感器产生峰值电压所间隔的时间也发送给远端，所述压电传感器产生的峰值电压所间隔的时间被蓝牙接收器接收后交给计算处理单元进行处理。
实施例3
在上述实施例2的基础之上，如图5所示，基于压电传感器的运动参数测量的方法还包括如下步骤：
T7：根据行进的即时速度以及体重计算运动消耗的能量。
所述计算处理单元还用于根据行进的即时速度以及体重计算运动消耗的能量。通过计算人体运动消耗的能量，从而为人体的减肥以及健身提供数据支持。
本实施例中无线发送单元和无限接收单元选用蓝牙，当然也可以选用其他的无线通信模块。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于压电传感器的运动参数测量的装置，其特征在于，该装置包括：
压电传感器，用于在弯曲时产生电压；
电压测量单元，用于获取压电传感器产生的峰值电压大小；
计算处理单元，用于将该峰值电压大小转换成压电传感器的最大弯曲角度；该压电传感器的最大弯曲角度与脚背和脚趾连接处的最大弯曲角度相对应；
该计算处理单元根据脚背和脚趾连接处弯曲的角度以及腿的长短计算单步的跨度。
2.根据权利要求1所述的基于压电传感器的运动参数测量的装置，其特征在于，所述压电传感器设置于鞋帮内，且压电传感器的一端位于脚背位置处，另一端位于脚趾位置处。
3.根据权利要求2所述的基于压电传感器的运动参数测量的装置，其特征在于，该装置还包括无线发端单元和无线接收单元，所述电压测量单元将压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数通过无线发送单元发送给无线接收单元，该无线接收单元将压电传感器产生的峰值电压大小或/和压电传感器产生峰值电压所间隔的时间参数发送给计算处理单元计算和处理。
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| CN105167308A (zh) * | 2015-09-01 | 2015-12-23 | 联想(北京)有限公司 | 一种能够收集能量的鞋 |
| CN117298473A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 深圳腾复医疗科技有限公司 | 导管及导管弯折评估系统 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENZHEN ZHONGYI TENGDA TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: WANG QIFAN Effective date: 20140403 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
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| TR01 | Transfer of patent right |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
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