基于柔性三维力传感器的足底界面应力测量系统

发布时间：2020-03-30 16:05

【摘要】：足底界面处的应力分布可反映出人体的步态特征、平衡姿势等信息,是人体重要的生物力学参数之一。足底界面应力的检测为拇外翻和糖尿病等临床疾病的预防和康复治疗提供评估手段,对临床医学、生物力学和体育训练的研究和发展有推动作用。因此,研究一种能够检测足底界面应力的测量系统具有重要的意义。目前,足底界面应力检测系统可分为两类,一类是将刚性传感器阵列安装在测量平台上,该方法为早期足底界面应力的测量提供了量化和可重复的结果,但是测量平台笨重的缺点使其仅限于实验室研究,不能满足长时间长距离的实时足底界面应力测量的需求。另一类是将多个微型界面应力传感器嵌入到鞋垫中,通过测量足底与支撑表面接触时加载于每个传感器上的力来检测足底界面应力的分布,能够不受环境影响地实现对足底界面应力的长时间长距离实时测量,然而~([17])足底界面应力由垂直于表面的正压力和相切于表面的剪切应力组成,该类测量方法对三维力检测的研究仍有不足。针对上述问题,本论文提出一种基于平行极板电容的柔性三维力界面应力传感器和基于该传感器的足底三维界面应力分布测量系统,可实现对足底三维界面应力的长时间远距离的实时测量,具有灵敏度高和柔性便携的优点。本文通过分析传感器检测正压力和剪切力的工作原理,确定传感器的测量范围和制作材料,设计传感器的结构、尺寸和电极耦合,研究传感器的制作工艺并制备了传感器样品,设计柔性三维力传感器实验测量装置,并分析传感器的静态特性。结果表明该传感器能够检测0~250kPa的正压力,灵敏度1.28fF/N,线性度3.40%,最大迟滞误差9.37%,重复性误差2.50%;该传感器能够检测0~150kPa的剪切力,灵敏度0.8fF/N,线性度4.30%,最大迟滞引用误差2.73%,重复性误差为1.60%。本论文将上述柔性三维界面应力传感器嵌入到鞋垫中,设计一种柔性足底三维界面应力分布测量系统。通过分析该系统检测足底界面应力分布的原理,确定测力鞋垫的尺寸和传感器单元嵌入测力鞋垫的位置,研究了测力鞋垫的制作工艺和制作材料的选取,研究足底界面应力测量系统的制备工艺并制作了测量系统原理样机。最后通过实验测量正常成年男性左脚足后跟着地期、足放平期和足后跟离地期三个状态下的足底界面应力分布,绘制足底界面正压力和剪切力分布图并分析了足底正压力和剪切力分布特性。本文设计的足底界面应力测量系统,具有柔性、高空间分辨率和便携化优点的同时,可以实现足底界面正压力和剪切力分布的实时测量。通过本文的研究,丰富和完善了三维力的测量理论,为足底三维界面应力分布的测量提供新的方法,为传统刚性传感器的柔性化提供新的思路。研究成果在临床医学和生物力学等邻域存在巨大的实用价值和应用前景。
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电阻式,压力传感器

西安电子科技大学硕士学位论文4图1.1 电阻式压力传感器结构[26]K rk 等人[28]开发了基于聚偏氟乙烯（PVDF）材料的足底正压力和剪切应力传感器模型，开发的传感器由四个独立的传感器元件组成，这些传感器元件由商用 PVDF材料制成并堆叠在一起。尺寸为 3cm×3cm 的传感器由商业 28μ m 厚的材料片手动构建，，传感器的总厚度是 2.4mm，传感器元件被校准以确定每个力分量的传感器灵敏度。李宏恩等人[29]设计压电式步态分析系统，通过采集鞋垫中 6 个采集点的压力信号，通过蓝牙模块传输足底压力信号，并采用 MATLAB 软件分析和处理压力信号，通过测量双脚摆动相计算步行周期，手机 APP 实时监测足底压力

分流法,测量电路,基本原理

西安电子科技大学硕士学位论文22图3.4 分流法测量电路基本原理图根据上述叙述可知，基于调频电路、运算放大器电路测量电容、基于 V/T 变换的电容测量电路、容抗法测量电路各有优缺点。调频电容测量电路由频率变化 f 能够灵敏地测量待测电容的变化 C ，从而成功地测量待测电容；运算放大器测量电容的电路电路极大改善了变间距式电容传感器的非线性，但是需要放大电路满足很大的放大倍数，而且运算放大单路输入阻抗过高；基于容抗法的测量电路的输出电压与待测电容呈正相关，容抗法也可以很好地检测电容的变化，实现传感器输出电容的测量；基于分流法的测量电容的方法是目前集成 IC 的应用方案之一，可以很好地检测微小电容的变化，实现传感器输出电容的测量。根据由第二章分析可知
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.01;TP212

【参考文献】