CN210383901U - 佩戴式肢体周径测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种涉及测量装置技术领域的佩戴式肢体周径测量装置，解决了不能大时段实时在线监测周径大小的问题。其技术要点为：包括周径传感器、驱动器、数据采集处理器，驱动器包括传感器接口、信息发布接口和原始数据处理模块，数据采集处理器包括信息采集交换接口、数据处理与可视化模块，驱动器与数据采集处理器通讯连接，周径传感器包括伸缩敏感部件、弹性基座，伸缩敏感部件固定安装于弹性基座上，伸缩敏感部件包括光发射组件、光接收组件和具有柔性的光导元件。光导元件的光通量与被测物的周径大小一一对应，从而能根据输出电流判断被测物的周径大小，实现能够对物体周径大小进行大时段自动化实时在线监测的功能。

Description

佩戴式肢体周径测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量装置技术领域，特别涉及佩戴式肢体周径测量装置。

背景技术

佩戴式肢体周径测量装置是一种用于测量物体周径的测量装置，佩戴式肢体周径测量装置不限于用在对人和动物肢体周径的测量，也可以应用在其他柱状物体周径的测量领域(如树干的直径等)。

目前，测量柱状物体的周径只能使用尺子进行手工测量的方式，在周径测量领域没有适用的伸缩敏感部件。公告号为CN203724095U的中国实用新型专利于2013年7月23日公开了一种周径测量器、公告号为CN201617832U的中国实用新型专利于2010年11月3日公开了一种肢体周径测量尺，均可通过手工测量与人工读数的方式对物体进行周径测量，但是这种手工测量与人工读数的方式，准确度依赖使用者的经验。公告号为CN207036052U的中国实用新型于2018年2月23日公开了一种数显周径π尺，其基于光栅计数原理，利用测量电路显示读数，准确性得到了改善，不依赖人的经验，但是却存在制造成本高的问题。

随着运动生理学、动物学、植物学、康复医学等学科的发展，对肢体等柱状物体的周径测量提出了更高的要求。许多应用场景是要求大时段实时在线监测周径的变化，在这些场景下无法对周径进行反复手工测量，例如监测运动员在运动过程中的肢体肌肉膨胀等等场景。而上述现有方案都不能大时段佩戴，每次测量时都必须重新手工测量，无法对被测量物体进行大时段实时在线监测，限制了使用场景。故现有技术中存在不能大时段实时在线监测周径大小的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供佩戴式肢体周径测量装置，达到了能大时段实时在线监测周径大小的效果。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

佩戴式肢体周径测量装置，包括周径传感器、驱动器、数据采集处理器，所述驱动器与数据采集处理器通讯连接，周径传感器包括伸缩敏感部件、弹性基座，所述伸缩敏感部件固定安装于弹性基座上，所述伸缩敏感部件包括光发射组件、光接收组件和具有柔性的光导元件，所述光发射组件和光接收组件均与驱动器电性连接，所述光发射组件和光接收组件分别固定的安装于光导元件的两端，所述光发射组件包括发光元件，所述光接收组件包括光接收元件，所述发光元件和光接收元件分别位于光导元件的两端处，所述光导元件设有光线逸散槽，所述光线逸散槽沿光导元件的长度方向延伸，所述光线逸散槽深度小于光导元件宽度的1/20。

进一步的：所述数据采集处理器包括信息采集交换接口、数据处理与可视化模块，所述信息采集交换接口与驱动器通讯连接。

进一步的：所述驱动器包括传感器接口、信息发布接口和原始数据处理模块，所述传感器接口和信息发布接口均与原始数据处理模块电性连接，所述光发射组件和光接收组件均与传感器接口电性连接，所述信息发布接口与信息采集交换接口通讯连接。

进一步的：信息发布接口与信息采集交换接口之间通过有线数据连接或无线数据连接。

进一步的：所述原始数据处理模块用于控制传感器接口、信息发布接口，并用于对伸缩敏感部件进行初始化、对相关的数据流进行预处理、保存。

进一步的：所述弹性基座为具有充分弹性的空心柱状物体，所述弹性基座用于佩戴至被测物体之上并充分包裹被测物体，所述弹性基座被拉伸扩张时伸缩敏感部件的弯曲程度减小。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

光导元件的光线逸散槽中的各个开口部的深度均比光导元件的半径小一个数量级，当光导元件弯曲且光线逸散槽位于弯曲方向的外周面时，光通量的总体损耗是近似等效于叠加了宏弯损耗与微弯损耗的，因此在发生这种弯曲时，光通量的变化是显著的，保证了传感器有非常高的灵敏度。

注意到光线逸散槽总是位于弯曲方向的外周面，因此在周径传感器自然收缩状态时，光导元件中的光通量是最小的。随着拉伸扩张程度增加，光导元件弯曲程度变小，则光通量单调增加，因此光通量与拉伸扩张程度成正比关系。

周径传感器的驱动输入是电流值，其发光量与驱动电流成正比关系；传感器的输出是电流值，在电源电压不变的情况下，其输出电流与表面接收到的光通量成正比关系，即可以通过测量输出电流大小来测量周径传感器拉伸扩张程度，输出电流与拉伸扩张程度成正比关系，保证了测量准确。通过实时监测输出电流的大小，能判断被测物的周径大小，从而达到能长期实时在线监测周径变化的效果。

光导元件在双向弯曲过程中光通量的变化具有单调性，因此可使得光导元件的光通量与光导元件的弯曲程度一一对应，从而使得光接收组件发出的传感器输出电流与周径大小一一对应。根据不同的传感器输出电流，能判断光导元件和被测物的周径大小，实现能够对物体的周径大小进行大时段自动化实时在线监测的功能。

采用了电流驱动、电流输出的周径传感器与驱动方案，且输出电流与弯曲方向、弯曲程度一一对应，使得该装置具有良好的适配性，测量成本非常低，测量过程中产生的计算量也非常低，降低了整体制造成本。

驱动器可以根据实际需求调节驱动电流，使得每一个周径传感器在自然收缩状态时的输出值是一致的，对周径传感器进行自动归零初始化，在驱动传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。所述佩戴式肢体周径测量装置在开发完成后，在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的周径传感器。

通过信息采集交换接口与驱动器通讯连接，从而可通过信息采集交换接口接收来自驱动器的测量数据，同时也能通过信息采集交换接口向驱动器发出控制指令。数据处理与可视化模块用于控制信息采集交换接口，并获取数据进行处理和/或显示。

附图说明

图1是本实施例中佩戴式肢体周径测量装置的系统框图；

图2是本实施例中光线逸散槽的剖视图；

图3是本实施例中光导元件自然平直状态时的光路示意图；

图4是本实施例中光导元件向靠近光线逸散槽一侧弯曲时的光路示意图；

图5是本实施例中弹性基座自然收缩状态时的结构示意图；

图6是本实施例中弹性基座被撑开时的结构示意图；

图7是本实施例中弹性基座平展状态下自然伸长时的结构示意图；

图8是本实施例中弹性基座平展状态下被拉伸时的结构示意图；

图9是本实施例中原始数据处理模块的电路连接示意图；

图10是本实施例中传感器接口的电路连接示意图；

图11是本实施例中信息发布接口的电路连接示意图。

附图标记：11、光导元件；12、光线逸散槽；13、包层；14、第一连接件；15、第二连接件；21、光发射组件；22、光接收组件。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例：

佩戴式肢体周径测量装置，如图1所示，包括周径传感器、驱动器、数据采集处理器。周径传感器与驱动器电性连接，驱动器与数据采集处理器通讯连接。

数据采集处理器包括信息采集交换接口、数据处理与可视化模块。数据处理与可视化模块用于控制信息采集交换接口，并获取数据进行处理或显示。在本实施例中，数据采集处理器为PC机，但是采用嵌入式系统、手机、平板电脑等方案来构成数据采集处理器同样在本专利保护范围内。

驱动器包括传感器接口、信息发布接口、原始数据处理模块。原始数据处理模块用于控制传感器接口、信息发布接口的数据流，并用于对传感器进行自动归零初始化和对相关的数据流进行预处理、保存。传感器接口与周径传感器的输入端和输出端电性连接，用于驱动周径传感器并采集周径传感器输出电流的功能。信息发布接口与信息采集交换接口之间可采用有线数据连接或无线数据连接，在本实施例中信息发布接口与信息采集交换接口之间通过有线数据连接。为数据采集处理器提供传感器数据，并与数据采集处理器交换控制信息、命令信息等其他数据信息。

如图2至图4所示，周径传感器包括伸缩敏感部件、弹性基座，周径传感器用于感知被测物体的周径。

伸缩敏感部件，如图1至图7所示，包括光发射组件21、光接收组件22、弹性基座和具有柔性且折射率大于1的光导元件11，光发射组件21和光接收组件22均固定的安装于光导元件11，光发射组件21包括发光元件，光接收组件22包括光接收元件，发光元件和光接收元件分别位于光导元件11的两端处，光导元件11设有光线逸散槽12，光线逸散槽12沿光导元件11的长度方向延伸，光线逸散槽12深度小于光导元件11宽度的1/20。

光导元件11设有弯曲段，光线逸散槽12位于弯曲段的外周面，光发射组件21和光接收组件22固定安装于弹性基座的不同位置。

光发射组件21与光导元件11之间设有第一连接件14，第一连接件14为固体，第一连接件14设有容纳光发射组件21的第一开口，第一连接件14设有容纳光导元件11的一端且贯通至第一开口的第一连接孔，第一连接件14分别与光发射组件21和光导元件11通过透明的粘接剂刚性粘接，光接收组件22与光导元件11之间设有第二连接件15，第二连接件15为固体，第二连接件15设有容纳光接收组件22的第二开口，第二连接件15设有容纳光导元件11的一端且贯通至第二开口的第二连接孔，第二连接件15分别与光接收组件22和光导元件11通过透明的粘接剂刚性粘接。

光导元件11外部设有包层13，光导元件11和光线逸散槽12表面均与包层13内表面贴合，包层13外表面为平整且连续的表面，包层13的折射率小于光导元件11的折射率。

光发射组件21和光接收组件22沿弹性基座的长度方向排布，弹性基座长度方向的两端互相连接。

发光元件为发光量与驱动电流成正比关系的有源发光器件,在本实施例中发光元件为发光二极管。

光接收元件为在电源电压不变的情况下输出电流与光接收元件表面接收到的光通量成正比关系的有源光通量探测器件，在本实施例中光接收元件为光敏三极管。

如图3和图4中所示的箭头指向为预期的光线射入方向。

通过光线逸散槽12的设置，使得光导元件11弯曲并且光线逸散槽12位于光导元件11弯曲外周的一侧时，能通过光线逸散槽12影响光路的几何模型，使得光路的几何模型与弯曲损耗振荡现象的几何模型不匹配，从而消除了宏观弯曲时的损耗振荡现象。因此，光导元件11向两个不同的方向弯曲光通量都因为消除弯曲损耗振荡现象而使得光通量呈单调变化。并且，光导元件11从平直状态向单一方向弯曲的过程中，或是从弯曲的状态沿单一方向伸展至平直状态的过程中，光通量也都是呈单调变化。

当该传感器处于自然收缩状态时，光导元件11弯曲并且光线逸散槽12位于光导元件11弯曲外周的一侧，由于存在光线逸散槽12，导致部分特定入射角的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使得传感器在处于自然收缩状态时有一部分的光通量被损耗。当被测物将传感器撑开，使传感器处于张开状态，并且使得光导元件11趋于平直状态，从而使光线逸散槽12的表面被压缩且逐渐趋向于光线逸散槽12与入射光路平行，有更少的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使光通量增加，且光通量的变化是呈单调变化的。

当被测物周径缩小时，弹性基座带动光导元件11回弹收缩，并且使得光导元件11趋于向远离光线逸散槽12的方向弯曲，从而使光线逸散槽12的表面被拉伸且逐渐趋向于光线逸散槽12与入射光路垂直，有更多的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使光通量减少，且光通量的变化是呈单调变化的。

该传感器无论是向外张开还是向内收缩，光导元件11的光通量变化是呈单调变化的，并且这种变化是连续变化的，从而能通过光导元件11的光通量判断被测物的弯曲程度。

光导元件11的光线逸散槽12中的各个开口部的深度均比光导元件11的半径小一个数量级，当光导元件11弯曲且光线逸散槽12位于弯曲方向的外周面时，光通量的总体损耗是近似等效于叠加了宏弯损耗与微弯损耗的，因此在发生这种弯曲时，光通量的变化是显著的，保证了传感器有非常高的灵敏度。

注意到光线逸散槽12总是位于弯曲方向的外周面，因此在周径传感器自然收缩状态时，光导元件11中的光通量是最小的。随着拉伸扩张程度增加，光导元件11弯曲程度变小，则光通量单调增加，因此光通量与拉伸扩张程度成正比关系。

如图5和图6所示，弹性基座为具有充分弹性的空心柱状物体，弹性基座用于佩戴至被测物体之上并充分包裹被测物体，弹性基座被拉伸扩张时伸缩敏感部件的弯曲程度减小。

如图9、图10和图11所示，原始数据处理模块所使用的芯片型号为STM32F103C8T6，该芯片内部集成了ARM内核中央计算器件、FLASH存储器件、PWM发生器件、ADC模数转换器件、USB通信控制器件。原始数据处理模块包括晶振电路和复位电路，晶振电路包括Y1、C3、C4、R4元件，复位电路包括R5、C5元件。晶振电路和复位电路搭建完成后，嵌入式芯片即可正常工作。原始数据处理模块通过Ud与Uout端子对传感器接口进行连接，通过USB_DP与USB_DM端子对信息发布接口进行连接。原始数据处理模块也可以对相关的数据流进行预处理、保存等操作。

PWM发生器件被配置到了STM32F103C8T6芯片的42脚，即通过42脚输出电压调节信息Ud，在本实施例中，电压调节信息Ud为PWM信息；ADC模数转换器件被配置到了STM32F103C8T6芯片的10脚，即通过10脚采集传感器输出电压Uout，同样通过10脚也可以把Uout送入外部测量应用装置；USB通信控制器件被配置到了STM32F103C8T6芯片的31脚与32脚，通过这两个管脚可以与外部测量应用装置进行USB通信。

FLASH存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，换算方法与驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路的拓扑参数有关，默认值Udefault不低于驱动周径传感器的最小电流值的换算值。

ARM内核中央计算器件读取存储器内的初始化期望输出值Vexpect、误差值ε以及ADC模数转换器件接收到的输出电压Vout，计算△V＝Vexpect–Vout，对比|△V|和ε，若|△V|<ε则将当前驱动电压信息Ud保存到FLASH存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec，从而完成电压调节设定值记录Urec的更新。通过调节驱动电流的手段，实现自动调节电路参数的功能，达到了提高测量效率和生产效率的效果。调节周径传感器的输出，使实际输出值等于期望输出值。即通过该驱动装置，可以在周径传感器处于自然收缩的状态实现自动归零初始化的功能，使得每一个周径传感器在自然收缩状态时的输出值是一致的，在驱动周径传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。

传感器接口电路包括R7、C7、R8、C8、R9、C9元件和传感器接插件S1。Ud端子使用PWM对传感器进行驱动，通过R7和C7形成的RC滤波网络之后，PWM方波被整形为直流电压Udrive，该直流电压Udrive的大小与PWM的占空比成正比。C8与传感器输入端的发光器件并联，用于滤除高频杂波；其中R8与传感器输入端的发光器件串联，Udrive被R8转换为传感器驱动电流Id。R9一端被VCC上拉，另一端与传感器输出端串联，为传感器输出端的光敏三极管提供电源，该光敏三极管被光激发的电流将流过R9，在R9两端形成压降，因此传感器的输出电流被转换成了传感器输出电压Uout。而C9则负责滤除Uout的高频杂波。

至此，驱动器通过原始数据处理模块、传感器接口，可以完成将周径传感器自动归零初始化的功能，使得每一个周径传感器在自然平直状态时的输出值是一致的，在驱动传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。佩戴式肢体周径测量装置在开发完成后，在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的周径传感器，极大地提高了生产效率、测量效率。

在本实施例中，驱动器的信息发布接口采用USB接口的方案，J1即USB接插件，USB电路包括R1、R2、R3等元件。STM32F103C8T6芯片通过USB_DP与USB_DM端子对USB接口进行连接。通过USB连接，PC机可以负责采集传感器数据、处理或保存传感器数据与人机交互数据、数据可视化等功能。在本实施例中，信息发布接口、信息采集交换接口采用USB连接方案，但是采用串口连接、蓝牙连接、无线数据连接等方案来设计信息发布接口、信息采集交换接口同样在本专利保护范围内。

至此，驱动器作为周径传感器与数据采集处理器的中间层，将二者连接起来，形成了整体闭环的结构。

本实施例具有以下优点：

传感器的驱动输入是电流值，其发光量与驱动电流成正比关系；传感器的输出是电流值，在电源电压不变的情况下，其输出电流与表面接收到的光通量成正比关系，即可以通过测量输出电流大小来测量周径传感器拉伸扩张程度，输出电流与拉伸扩张程度成正比关系，保证了测量准确。通过实时监测输出电流的大小，从而达到能大时段实时在线监测周径变化的效果。

采用了电流驱动、电流输出的周径传感器与驱动方案，且输出电流与被测物的周径大小一一对应，使得该装置具有良好的适配性，测量成本非常低，测量过程中产生的计算量也非常低，降低了整体制造成本。

驱动器向周径传感器发送驱动电流，并接收周径传感器发出的输出电流，而且驱动器包括具备运算能力的原始数据处理模块，能根据周径传感器发出的输出电流进行预处理和/或保存，并能同步地调节驱动电流，这就允许驱动器对周径传感器进行自动归零初始化，使得每一个周径传感器在自然平直状态时的输出值是一致的，在驱动传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。佩戴式肢体周径测量装置在开发完成后，在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的周径传感器，极大地提高了生产效率、测量效率。

驱动器将数据通过信息发布接口和信息采集交换接口传输至数据处理与可视化模块。通过信息采集交换接口与驱动装置通讯连接，从而可通过信息采集交换接口接收来自驱动装置的测量数据，同时也能通过信息采集交换接口想驱动装置发出控制指令。数据处理与可视化模块用于控制信息采集交换接口，并获取数据进行处理和/或显示。这实质上是对传感器与外部测量应用装置二者之间的解耦，对外部测量应用装置来说，更换不同的周径传感器，周径传感器的初始输出值都是统一的，这种闭环～解耦的思想可以应用在更多的应用场景当中。

本实施例适用于不同型号的周径传感器，而且，本实施例不仅仅用于肢体周径的测量，也可以衍生应用在所有柱状物体周径的测量领域。本实施例的周径传感器、驱动器、数据采集处理器的数量均可以采用超过1个来制作测量装置。这些衍生方案均在本专利保护范围之内。

如图7和图8所示，将佩戴式肢体周径测量装置平展成为平面结构时，可以获得一种平面拉伸程度的测量装置。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.佩戴式肢体周径测量装置，其特征在于：包括周径传感器、驱动器、数据采集处理器，所述驱动器与数据采集处理器通讯连接，周径传感器包括伸缩敏感部件、弹性基座，所述伸缩敏感部件固定安装于弹性基座上，所述伸缩敏感部件包括光发射组件(21)、光接收组件(22)和具有柔性的光导元件(11)，所述光发射组件(21)和光接收组件(22)均与驱动器电性连接，所述光发射组件(21)和光接收组件(22)分别固定的安装于光导元件(11)的两端，所述光发射组件(21)包括发光元件，所述光接收组件(22)包括光接收元件，所述发光元件和光接收元件分别位于光导元件(11)的两端处，所述光导元件(11)设有光线逸散槽(12)，所述光线逸散槽(12)沿光导元件(11)的长度方向延伸，所述光线逸散槽(12)深度小于光导元件(11)宽度的1/20。

2.根据权利要求1所述的佩戴式肢体周径测量装置，其特征在于：所述数据采集处理器包括信息采集交换接口、数据处理与可视化模块，所述信息采集交换接口与驱动器通讯连接。

3.根据权利要求1所述的佩戴式肢体周径测量装置，其特征在于：所述驱动器包括传感器接口、信息发布接口和原始数据处理模块，所述传感器接口和信息发布接口均与原始数据处理模块电性连接，所述光发射组件(21)和光接收组件(22)均与传感器接口电性连接，所述信息发布接口与信息采集交换接口通讯连接。

4.根据权利要求3所述的佩戴式肢体周径测量装置，其特征在于：信息发布接口与信息采集交换接口之间通过有线数据连接或无线数据连接。

5.根据权利要求3所述的佩戴式肢体周径测量装置，其特征在于：所述原始数据处理模块用于控制传感器接口、信息发布接口，并用于对伸缩敏感部件进行初始化、对相关的数据流进行预处理、保存。

6.根据权利要求1所述的佩戴式肢体周径测量装置，其特征在于：所述弹性基座为具有充分弹性的空心柱状物体，所述弹性基座用于佩戴至被测物体之上并充分包裹被测物体，所述弹性基座被拉伸扩张时伸缩敏感部件的弯曲程度减小。

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