DE3812287A1 - Vorrichtung zum messen der form von oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Form von Oberflächen sowie der Kraft- oder Druckverteilung von Gegenständen, insbesondere zum Messen der Fußgewölbe­ formen sowie ortsaufgelöster mechanischer Drücke bzw. Kräfte des Fußes auf die Unterlage beim Gehen und Stehen mittels einer Meßplattform.

Ein Verfahren zum ortsaufgelösten Messen von Drücken mittels einer matrixartigen Meßanordnung mit sich kreuzenden Zeilen und Spalten wird für Messungen im Bereich der Medizin, Orthopädie, der Materialprüfung, der Laufflächenkontrolle von Fahrzeugbereifungen, der Homogenitätsmessung an plastischen Schichten und bei der Messung von Aufprallvorgängen eingesetzt. Zum Beispiel kann auch die Druckverteilung eines Fußes beim Gehen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung gemessen werden.

Hierzu ist eine matrixartige Meßanordnung zum Messen von ortsaufgelösten Drücken bekannt (DE-PS 25 29 475). Hierbei werden zeilen- und spaltenweise elektrische Signale an Sensoren, die druckabhängig als Kondensatoren oder Wider­ stände ausgelegt sein können, angelegt und ausgelesen.

Bei manchen Anwendungsfällen kann es darüber hinaus wünschenswert sein, die Form von Oberflächen zu messen, beispielsweise der Form des Fußgewölbes in der Orthopädie.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der gegebenenfalls zur Messung der Kraft- bzw. Druckverteilung die Form der Oberflächen gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche gelöst.

Durch die Vorrichtung wird also von jedem Ultraschall­ wandler-Element senkrecht zur Meßplattform ein Ultra­ schallimpuls abgegeben, dessen reflektiertes Echo entweder von dem sendenden Element wieder empfangen, oder aber von einem unmittelbar zu diesem benachbart angeordneten stets empfangenden Ultraschallwandler-Element aufgenommen wird. Aufgrund der Laufzeit läßt sich unter Zugrundelegung der Schallgeschwindigkeit in Luft der Abstand berechnen. Damit der Schallimpuls möglichst richtungstreu, d.h. senkrecht zur Meßplattform ausgesendet werden kann, ist es zweckmäßig, eine möglichst hohe Ultraschallfrequenz zu verwenden. Es ist aber auch möglich, zusätzlich oder stattdessen den Kunststoff im Bereich des darunter angeordneten Ultraschallwandler-Elementes eine Öffnung vorzuzusehen, um den abgestrahlten Impuls nicht zu bedämpfen.

Selbstverständlich muß der Ultraschallimpuls so kurz be­ messen sein, daß er sich nicht mit seinem reflektierten Echo überlagert. Mittels der Ansteuer- und Impulsgeber- sowie der Auswerteschaltung läßt sich sicherstellen, daß die Ultraschallwandler-Elemente sequentiell einzeln oder in Gruppen angesteuert, das reflektierte Echo aufgenommen und unter Berechnung des Abstandes des Gegenstandes von dem betreffenden Ultraschallwandler-Element aufgrund der Laufzeit durch die Auswerteschaltung berechnet werden. Es kann auch in der Auswerteschaltung ein Bild der Oberfläche zusammengesetzt und gegebenenfalls an einem Monitor ausgegeben werden.

Wird nur jeweils ein Ultraschallwandler-Element sowohl als Sender als auch Empfänger eingesetzt, so müssen in unmittelbarer Nähe der Ultraschallwandler-Elemente elektronisch ansteuerbare Schalter vorgesehen sein, deren einer Anschluß zu dem Ultraschallwandler-Element führt und dessen anderer Anschluß einmal an die Impulsgeber­ schaltung und einmal an die Auswerteschaltung ange­ schlossen wird. Solche Schalter sind an sich bekannt (DE- OS 36 42 088).

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine Meßplattform, in schematischer Seitenansicht;

Fig. 2 die Meßplattform gemäß Fig. 1 im teilweise abgebrochener Draufsicht und

Fig. 3 einen Schnitt III-III gemäß Fig. 2 mit einer Impulsgeber-, Ansteuer- sowie Auswerteschaltung.

In Fig. 1 ist mit 5 schematisch ein Fuß gezeigt, der auf einer insgesamt mit 6 bezeichneten Meßplattform steht. Hierbei sind Bereiche 7 des Fußes 5 in Berührungskontakt mit der Meßplattform 6. Im Bereich 8 kann die Form des Fußgewölbes 9 gemessen werden.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Meßplattform 6 ge­ zeigt, bei der die einzelnen Ultraschallwandler-Elemente 10 schematisch mit unterbrochenen Kreisen angedeutet sind, die matrixartig in Form von Zeilen 11 sowie Spalten 12 angeordnet sind.

Die Meßplattform 6 ist in Fig. 3 in schematischem, teil­ weise perspektivischem, abgebrochenem Querschnitt darge­ stellt. Die Meßplattform 6 weist - zu unterst - eine Grundplatte 15 auf. Auf dieser eine untere Halteplatte 16 angeordnet, die im Bereich der als flache, kreisrunde Plättchen ausgebildeten Ultraschallwandler-Elemente Aus­ nehmungen 17 mit dem gegenüber kleineren Durchmesser auf­ weisen. Deckungsgleich dazu ist auf der Oberseite der Plättchen 10 eine obere Halteplatte 18 ebenfalls mit Aus­ nehmungen 19 so angeordnet, daß die Plättchen 10 von den Rändern um die Ausnehmungen der oberen und unteren Halte­ platte kreisringförmig erfaßt werden. Zwischen der unteren und oberen Halteplatte 16 bzw. 18 ist ferner eine Aufnahmeplatte 20 vorgesehen, die im Bereich der Plättchen 10 demgegenüber größer ausgespart ist. Auf der Oberseite der oberen Halteplatte 18 ist ferner eine vorzugsweise als Elastomer ausgebildete Kunststoffschicht 21 vorge­ sehen, die eine Dicke von 1 bis 3 mm aufweisen kann. Der vorzugsweise offenporige Kunststoff kann aber stattdessen oder auch über dem Plättchen 10 mit einer Öffnung 22 ver­ sehen sein (Fig. 2), die eine Richtungsbündelung senkrecht zur Oberfläche der Kunststoffschicht 21 zuläßt.

Beim schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die untere Stirnseite 23 des Plättchens 10 mit der einen Seite 24 eines elektronisch steuerbaren ersten Schalters 25 verbunden, dessen andere Seite 26 an einen ebenfalls elektronisch steuerbaren zweiten Schalter 27 angeschlossen ist, der zwischen einer insge­ samt mit 28 bezeichneten Impulsgeberschaltung oder einer Auswerteschaltung 29 umschaltbar ist. Jedem Plättchen 10 ist hierbei je ein erster Schalter zugeordnet. Die zweiten Seiten 26 aller ersten Schalter können elektrisch zusammengeschaltet sein und zu dem zweiten Schalter 27 führen.

Eine insgesamt mit 30 bezeichnete Ansteuerschaltung steuert, wie schematisch angegeben ist, sowohl alle ersten Schalter 25 wie auch den zweiten Schalter 27, und zwar dergestalt, daß nur ein einziger erster Schalter ge­ schlossen ist und somit über dem zweiten Schalter 27 zu­ nächst an die Impulsgeberschaltung 28 angeschlossen wird und danach zur Messung des reflektierten Echos an die Auswerteschaltung 29 angeschlossen wird. Aufgrund der Laufzeit zwischen Beginn des abgegebenen Impulses und Empfang des reflektierten Echos läßt sich der senkrechte Abstand des Gegenstandes, vorzugsweise Fußgewölbes über dem jeweiligen angesteuerten Ultraschallwandler-Element 10 in dem Bereich 8 (Fig. 1) bestimmen. ln den Bereichen 7, in denen der Gegenstand auf der Kunststoffschicht 21 der Meßplattform 6 aufliegt, läßt sich anhand des Ein­ federungsverhaltens unter elastischen Eigenschaften der Kunststoffschicht das Maß der darauf lastenden Kraft be­ stimmen. Die Plättchen 10 können über ihre beidseitige Metallisierung und die auf den Oberseiten der angebrachten gedruckten Schaltungen an die Schaltungen 28, 29 angeschlossen werden.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Messen der Form von Oberflächen sowie gegebenenfalls der Druck- bzw. Kraftverteilung von Gegenständen, insbesondere zum Messen der Fußgewölbeformen sowie ortsaufgelöster mechanischer Drücke bzw. Kräfte des Fußes (5) auf die Unterlagen beim Gehen und Stehen mittels einer Meßplattform (6), wobei die Meßplattform (6) eine Vielzahl von elektrisch getrennt ansteuerbaren Ultraschall­ wandler-Elemente (10) aufweist, und ggfs. über den Ultraschallwandler-Elementen (10) eine Kunststoffschicht (21) angeordnet ist, wobei die Ultraschallwandler-Elemente an eine Ansteuer- (30) , eine Impulsgeber- (28) sowie eine Auswerteschaltung (29) anschließbar ist, die die Laufzeit zwischen den von der Impulsgeberschaltung abgegebenen und dessen reflektierten Echo als Aquivalent für den Abstand der Oberfläche (9) des Gegenstandes (5) von dem Ultraschallwandler-Element (10) mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vielzahl von Ultra­ schallwandler-Elementen matrixartig längs Zeilen (11) und Spalten (12) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff der Kunststoffschicht (21) ein elektrischer Isolator ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff elastisch nachgiebig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Elastomer ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Ultraschallwandler-Elemente (10) eng benachbart zueinander unter Bildung eines der matrix­ förmigen Elemente angeordnet ist, von denen das eine stets an die Impulsgeber- und das andere an die Aus­ werteschaltung angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß direkt unter dem Ultraschallwandler-Element (10) elektronisch von der Ansteuerschaltung (30) ansteuer­ bare erste Schalter (25) angeordnet sind, deren einer Anschluß (24) an das Ultraschallwandler-Element ge­ führt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß immer ein einziges, von der Ansteuerschaltung (30) angesteuertes Ultra­ schallwandler-Element (10) als Matrixelement vorge­ sehen ist, welches bei Ansteuerung durch die An­ steuerschaltung (30) zunächst mit der Impulsgeber­ schaltung (28) verbunden und unmittelbar danach an die Auswerteschaltung (29) angeschlossen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansteuerung durch die Ansteuerschaltung (30) die Impulsgeber­ schaltung (28) und die Auswerteschaltung (29) ab­ wechselnd mittels eines zweiten Schalters (27) an die andere Seite (26) des ersten Schalters (25) an­ geschlossen wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Ultraschallwandler-Elementen sequentiell angesteuert werden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler-Elemente als piezo- oder pyro­ elektrische Plättchen (10) ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die USW-Elemente als durchgehende piezo- oder pyro­ elektrische Platte oder Folie ausgebildet ist und daß diese auf einer Stirnseite (23) in einzelne Flächen für ein USW-Element unterteilt und daß die andere Stirnseite vollständig metallisiert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßplattform (6) eine obere Halteplatte (18) sowie eine mit Abstand davon angeordnete untere Halteplatte (16) aufweist, die im Bereich jedes Plättchens Ausnehmungen (17, 19) aufweist, so daß dieses von beiden Halteplatten (16, 18) im Randbereich festgehalten ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Plättchen (10) in einem kreisringförmigen Bereich festgehalten ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, da­ durch gekennzeichnet, daß eine der Halteplatten (16, 18) zumindest im Kontaktbereich zu den Plättchen (10) metallisiert ist und darüber an die betreffende Schaltung (28, 29) anschließbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß beide Halteplatten (16, 18) zumindest im Kontaktbe­ reich zu den Plättchen (10) metallisiert sind und darüber an betreffende Schaltungen (28, 29) an­ schließbar sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß sich unter der oberen Halteplatte (18) eine dünne Schicht aus elektrisch leitfähigem Silikonkautschuk be­ findet.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der oberen und unteren Halteplatte eine im Bereich der Ultraschallwandler-Elemente ausgesparte Aufnahmeplatte (20) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aufnahmeplatte (20) maximal so hoch wie die Ultraschallwandler-Elemente (10) sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler-Elemente (10) gleiche Höhe der Plättchen (10) aufweisen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (21) über jedem Ultraschallwandler­ Element (10) eine Öffnung (22) mit kleinem Durch­ messer aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnung (22) einen kleineren Durchmesser als das Plättchen (10) aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnung (22) maximal 4 mm im Durchmesser beträgt.