（生物医学工程专业论文）应用于足底压力检测系统的设计.pdf

亟受匠) 应用于足底压力检测系统的设计 根据人体步态分析的需求，本文设计了一种基于p c 机和l a b v i e w 软 件的足底压力测量系统。其目的是为临床医学研究提供分析工具，提供测 量数据，以提高医学研究的理论水平。本文采用了压电传感器和n i 公司的 测试技术等新方法，来设计足底压力测量系统。利用压电传感器动态特性 好的优点，提高了测量系统的动态响应能力，使得测量数据更精确，克服了 传统传感器测量技术中动态测试能力低的缺陷。n i 公司的虚拟仪器和 l a b v i e w 是近年来在国内迅速推广的一种测试系统，正在成为国内外测试 技术和仪器科学的通用编程语言，其图形化编程语言和数据流编程思想，大 大提高了使用人员的工作效率。本系统通过借鉴n i 公司的经典测量实例， 极大的缩短了软件开发过程。 一 系统硬件包括压力传感器平板阵、信号调理电路、信号采集板以及计算 机系统。系统软件包括数据采集和存储模块、数据计算分析和显示模块。 本系统采用p v d f 压电薄膜作为传感元件，并对它的力学特性做了初 步评价，发现p v d f 压电薄膜上的电荷与其上的静态或动态压力均成线性 关系，而且在改变p v d f 压电薄膜的大小、加载头的形状和弧度时，这种线 性关系不变，线性曲线的斜率很稳定，可以认为曲线的斜率不随上述几种情 况改变。压力传感器平板阵由1 6 个p v d f 传感器构成，其功能是把足底局 部压力信号转换成电信号，p v d f 传感器的前置放大电路采用a d 公司的 a d 6 2 0 集成放大器，以二阶滤波电路消除人体与电气设备的干扰，测得的 信号经n i 公司的a t m i o 一1 6 e 一1 数据采集板送入计算机。 a t m i o 一1 6 e i 数据采集板，它是一个具有1 6 通道模拟输入的数 据采集板，模拟输入信号的电压范围为0 l o v 或一5 一+ 5 v ，其a d 转 换器位数为1 2 字节，最高采样速度为1 2 5 m s s ，通过m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o ne x p l o r e r 软件设置分辨率、区间、信号极限幅度、采样率这四个参 数。 数据采集和存储模块基于l a b v i e w 实现，为保证连续高速数据采集 时不丢失数据，采用了d a q 上的f i f o 电路作为输入缓存，为保证数据实时 记录到硬盘上，采用了高速磁盘流技术，将数据写入文件。数据显示分析模 块完成数据回放和计算分析功能，借助于l a b v i e w 的显示分析v i 和函数 完成。 本系统简化了硬件电路，充分利用目前l a b v i e w 软件的丰富资源，设 计了体积小，能实时测量，结果直观的测量系统，体现了医学仪器小型化的 发展趋势，可以适应基本的医学研究需要。 关键词 压电传感器；足底压力；l a b v i e w 2 d e s i g n i n gf o rt h e n a r p r e s s u r em e a s u r i n gs y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o nat h e n a rp r e s s u r em e a s u r i n gs y s t e mb a s e do np ca n d t h es o f t w a r eo fl a b v i e wi sd e s i g n e di no r d e rt oa n a l y z et h ew a l k i n gp a c e t h e p u r p o s ei s t op r o v i d eat o o lf o rc l i n i c a lr e s e a r c h t h i ss y s t e mi s d e s i g n e du s i n ga s e r i e so f p i e z o e l e c t r i c i t yt r a n s d u c e r sa n d t h em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yo fn ic o m p a n y p i e z o e l e c t r i c i t yt r a n s d u c e r sh a v et h ea d v a n t a g eo ff i n ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hc a ni m p r o v ed y n a m i cr e s p o n s eo fm e a s u r e m e n ts y s t e m t h i s a d v a n t a g em a k e st h i ss y s t e ms u p e r i o rt o t h o s et r a d i t i o n a lt r a n s d u c e rm e a s u r e m e n t s y s t e m sa n dt h e d a t ai sm o r ea c c u r a t et h a ne v e r s i m u l a t i o ni n s t r u m e n to fn i c o m p a n ya n dl a b v i e w s o f t w a r ei sas y s t e mt h a tp r o m p t l ys p r e a di nc h i n ai n r e c e n ty e a r s i ti s b e c o m i n gaw o r l d w i d ep r e v a l e n tp r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o r m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n ts c i e n c e g r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n dd a t as t r e a mt h i n k i n gi m p r o v e dt h e e f f i c i e n c y o fu s e r sg r e a d y o u rs y s t e m u s e dt h et y p i c a lc a s eo fn ic o m p a n yf o rr e f e r e n c e ，w h i c hs h o r t e n e dt h ed e v e l o p i n gp r o c e s st og r e a t l y ： t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi n c l u d e sp r e s s u r et r a n s d u c e rb o a r da r r a y ，s i g h a lm o d u l a t i o nc i r c u i t ，s i g n a lc a p t u r eb o a r da n dp c t h es o f t w a r ec o n s i s t so f t w om o d u l e s ，o n ei sd a t ac a p t u r ea n ds t o r a g em o d u l ea n dt h eo t h e ri sd a t ac o m - p u t a t i o n ，a n a l y s e sa n dd i s p l a ym o d d e t h i ss y s t e mu s e sp v d f p i e z o e l e c t r i c i t yf i l ma st r a n s d u c e rc o m p o n e n t t h e p r i m a r ye v a l u a t i o no fi t s m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c si n d i c a t e st h a tt h ea m o u n to f e l e c t r i cc h a r g e sa n dt h es t a t i co rd y n a m i cp r e s s u r eo np v d f p i e z o e l e c t r i c i t yf i l m h a v el i n e a rr e l a t i o n t h er e l a t i o n s h i pd o e s n tc h a n g ew h e nt h es i z eo fp v d f p i e - z o e l e c t r i c i t yf i l m ，t h es h a p ea n dr a d i a no fl o a d i n gh e a da r ec h a n g e d t h es l o p e o fc l l r v ei sv e r ys t a b l e t h ep r e s s u r et r a n s d u c e rb o a r da r r a yc o n s i s t so f1 6p v d f t r a n s d u c e r s t h ef u n c t i o ni st ot u r nt h e n a rp r e s s u r es i g n a li n t oe l e c t r o n i cs i g n a l t h ef r o n ta m p l i f i c a t i o nc i r c u i to ft r a n s d u c e ra d o p t sa d 6 2 0i n t e g r a t i o na m p l i f i e r 3 o fa d c o m p a n yt o e l i m i n a t et h ed i s t u r b a n c eo fb o d ya n de l e c t r i ce q u i p m e n t s t h es i g n a lm e a s u r e di s p u ti n t oc o m p u t e rt h r o u g ha t m i o 一1 6 e 一1d a t ac a p - t u r eb o a r do fn ic o m p a n y a t - - m i o 1 6 e 1d a t ac a p t u r eb o a r dh a s1 6c h a n n e l sf o ra n a l o g ys i g n a l s i n p u t t h ev o l t a g eo fa n a l o g ys i g n a l si n p u ti s0 1 0 v o r 一5 5v a ds w i t c h i s 1 2 一b y t ed i g i t t h eh i g h e s ts a m p l i n gr a t ei s i 2 5 m s s f o u rp a r a n a e t e r si n - e l u d i n gd i f f e r e n t i a t er a t e ，r a n g e ，t h ee x t e n to fs i g n a ll i m i ta n ds a m p l i n g r a t e8 x e s e tb ym e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o ne x p l o r e rs o f t w a r e d a t ac a p t u r ea n ds t o r a g em o d u l ea r ec a r r i e do u tt h r o u g hl a b v i e w i no 卜 d e rt oa v o i dt h ed a t ai sl o s tw h e n c o n t i n u o u s l yc a p t u r i n ga th i g hs p e e df i f oc i r - e u i to nd a qi su s e da si n p u tt e m p o r a r ym e m o r y h i g h s p e e dd i s ks t r e a mt e c h n o l o g y i su s e dt ow r i t ed a t ai n t of i l e st og u a r a n t e ed a t ai sl o g g e di n t oh a r dd i s ki n r e a lt i m e d a t ac o m p u t a t i o n ，a n a l y s e sa n dd i s p l a ym o d u l ef u l f i l ld a t ar e t u r n ， c o m p u t a t i o na n da n a l y s e s t h i ss y s t e ms i m p l i f i e dh a r d w a r ec i r c u i t i t ss m a l lv o l u m e ，r e a lt i m em e a s u r e m e n ta n dd i r e c to u t c o m ed i s p l a yr e p r e s e n tt h et e n d e n c yo fm e d i c a li n s t r u m e n t m i n i f y i n g ，w h i c hb a s i c a l l ys a t i s f i e dt h ed e m a n do fm e d i c a lr e s e a r c h k e y w o r d s p i e z o e l e c t r i c i t yt r a n s d u c e r ；t h e n a rp r e s s u r e ；l a b v i e w 4 r _ 享夏面雨一) 5 ；，论文、论文 、， 第一部分 应用于足底压力检测系统的设计 刚茜 站立与行走是人体最基本的运动形式之一，步态是指人行走的方式和 风格，一个人的步态是自身的结构和功能、运动调节系统、个人行为以及心 理活动在行走时的外在表现，因此，检测人体行走时的运动状态、受力状态 等与生物力学有关的物理量，从而进一步分析人体各部位的受力状况以及 机械功、代谢能量消耗等情况是十分必要的。步态特征包括运动学( 如关 节的角度，速度，加速度等) 、动力学( 如足底压力与地面反力) 、肌电、能量 消耗等方面参数。步态的研究是人类生物力学和康复医学研究的一个热点 之一。步态研究中的一个重要分支就是足底压力分布的检测，它既是步态 研究的重点，也是一个难点。至今仍然是步态研究领域的一个值得关注的 问题。根据文献资料的记载，对站立与行走时足底与支撑面之间的压力进 行测量和分析，可以获得反映人体下肢的结构、功能以及全身协调性等方面 的信息。目前，这项技术已经应用于各个领域，如生物力学、康复医学、矫形 外科、体育训练、公安、人机工程方面、制鞋业等等，具有重要的科学意义和 应用价值。足底压力测量的应用主要集中于以下几个方面。在康复医疗领 域，足底压力分析可以为诊断疾病、确定康复和治疗方案提供重要依据，是 诊断病态步伐和评估康复仪器以及辅助步行装置性能的重要手段之一。在 临床医学上应用的也很广泛，例如与临床医学相结合研究糖尿病患者足底 溃疡和风湿病患者足骨变形等病理现象，以及对矫形术作出合理的评价，假 肢的计算机辅助设计和制造。还用于监测全髋置换术后病人、少年慢性关 节炎患者以及膝关节手术后病人的步态情况。1 8 世纪就有人开始研究人 体足底的受力情况，以后各种测量人体足底压力的方法不断出现，测量技术 6 不断改进，特别是近2 0 年发展更为迅速。现今国内外的足底压力测量系统 所采用的手段很多，主要有足印技术、可视形象化技术、力板测试技术、多负 载单元测试技术、压力鞋与鞋垫测试技术等。测试原理主要有二种：一种是 力一一电转换原理，另一种是力一一光转换原理。力一一电转换原理，是将 足底压力转换成电信号，以利于后期处理。力一一光转换原理是将足底压 力转换成光学图象信号。在世界各地如美国、加拿大、日本等出现了几十个 测量系统。例如美国的a m t i 生物力学测力板系统，具有不同传感器，可以 满足不同测量要求，测量三维足一地作用力以及力矩，并进行频率分析，已 用于运动员的训练分析。英国的m u s g r a v e 力板系统，可以测量足底压 力、足地接触面积以及时间参数，近年来国内也在进行仿制，但还没有成型 的测量系统。 第二部分 p v d f 压电传感器的设计制作 2 1 p v d f 压电传感器的原理 某些介子，在一定方向上受外力作用而形变时，内部会产生极化现象， 同时在其两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉时，又重新回到不带 电的状态，这种机械能转变成电能的现象，称为顺压电效应。相反，在电介 子极化方向上加电场，这些介子也会产生机械形变，称为逆压电效应。压电 材料有很强的压电效应，当它受到极化方向上的力f 时，表面上产生的电荷 q = d f ，由此式可知晶片受垂直方向的力时，产生的电荷正比于压力f ，而 与晶片的大小尺寸无关。具有压电效应的介子称为压电材料，如天然形成 的水晶，人工制造的压电陶瓷，如钛酸钡、锫钛酸铅等，大多数晶体都具有压 电效应，但多数效应太小，不能用于测量。 聚偏氟乙烯( p v d f ) 压电薄膜自2 0 世纪7 0 年代在日本问世以来，在各 个方面得到了广泛的应用。特别在桥梁震动测量、爆炸、声学等领域，显示 了其优异性能和巨大潜力。聚偏氟乙烯类压电薄膜是目前发现的压电效应 较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来讲不存在压电效应， 但是这些物质存在偶极子，经延伸后可以使分子成规则排列，并在与分子轴 垂直方向上产生自发极化偶极子，当在薄膜方向上加直流高压电场极化后， 7 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。而且这种薄膜具有可挠性，并容 易制成大面积压电元件。p v d f 薄膜必须先经拉伸处理以获得图l a 所示 的结构，然后将其加热到居里点温度并进行极化，得到如图1 b 所示的结构， 才具有一定的压电性。由于p v d f 薄膜的电容很小，当它受外力作用时，所 产生的电荷很难长时间保持，因此它更适合于用在动态监测领域。 一 仁 + 图1 a 未极化的p v d f 薄膜结构图1 b 极化后的p v d f 薄膜结构 p v d f 经拉伸极化后，其压电特性可由图2 的系数矩阵来表示： 图2p v d f 压电薄膜的系数矩阵 其中的d 。，= d 弘，且其绝对值较d 3 1 d ，：d ，。小二个数量级，所以具体应用 时可以认为d 。5 = d 2 4 = o ，其余三个系数的数值如下：d 3 。= 2 7 土5 p c n ，d ，：= 4 1 p c n ，d ，= 3 2 p c n ，这些系数均使微单元z 方向的上、下二级具有 电荷效应，其中z 方向上的作用，影响系数( d 。，) 较大。p v d f 传感器就是利 用d ，。系数，当z 方向受力时，会在上下二极产生电荷信号的原理制成的，q ： = d 3 1 f z 。 p v d f 压电薄膜的主要技术指标如下：压电常数：2 3 - - 3 2 p c n ；机电偶 合常数：1 0 一1 4 ；热释电系数：4 0 c c m 2 k ；相对介电常数1 2 一1 3 ( i k h z ) ； 体积电阻率1 0 ”i l c m 。 r 萋 、ry a a o 鳓o o q 蚍o i o a 舢1 0 n 0 o 籼 ，ll，。、 当p v d f 压电薄膜被加载外力时，它的上下二个表面会产生极性相反， 大小相等的电荷，可以把它看成二极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电 容器，其电容量由下式计算：c 。= e s t ，8 电容器中间的绝缘体的介电常数， s 为电容器的面积，t 为电容器的厚度。其中= 。，。为真空介电常数 ( 8 8 5 1 0 。1 2 f m ) ，。为晶体的介电常数。当二个极板聚集一定电荷时， 极板间就存在一定电压u 。，其值为u 。= q c 。，其中q 为极板上聚集的电荷 量，c 。为p v d f 压电薄膜二个表面间的等效电容。所以可以把p v d f 压电 薄膜看成是一个等效电源和一个电容器的并联，或一个电源和一个电容器 的串联。如图3 所示。从图3 可以看出，只有p v d f 压电薄膜传感器内部 电荷无泄露，外部所接电阻为无穷大时，p v d f 压电薄膜产生的电荷才能长 时间保留，否则电路会自动放电。可见只有在动态情况下，传感器电荷才能 得到保证和补充，所以p v d f 压电薄膜只适合动态测量。在静态测量时，由 于传感器内部不可能不泄露一些电荷，和外部所接电阻不可能为无穷大，必 然会带来误差。 u 图3 压电传感器等效电路 ( a ) 电压等效电路( b ) 电荷等效电路 用导线连接的p v d f 压电薄膜传感器，还必须考虑外接电路的电容和 电阻，因此，p v d f 压电薄膜传感器的实际等效电路如图4 所示。在此等效 电路中，p v d f 压电薄膜传感器的绝缘电阻与前置放大器的输入电阻相并 联，为了保证传感器的低频响应，尽量减少静态力的误差，要求传感器的绝 缘电阻应该保持在1 0 ”n 以上，才能使内部电荷泄露减少到满足精度要求。 同时前置放大器要有较大的输入电阻，以防止传感器的电荷通过输入电路 泄露。p v d f 压电薄膜传感器的前置放大器有二个作用：一是把压电薄膜 9 的高输出阻抗变换成低输出阻抗，二是放大压电薄膜的弱信号。根据压电 薄膜传感器的原理和等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信 号，因此设计传感器前置放大器时，有二种方法：一种是电荷放大器，其输出 电压和输入电荷成正比；另一种是电压放大器，其输出电压和输入电压成正 比。本设计应该采用电荷放大器，其原因如下： 通常情况下，测量回路时间常数一定的条件下，p v d f 压电薄膜传感器 的高频响应很好，但是当被测量信号频率极低时，接近静态条件时，而测量 回路时间常数不大时，就会影响传感器的灵敏度，因此，为了扩大传感器工 作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数，但是靠增加回路电容来 增加时间常数，会减低传感器的灵敏度。为此经常在回路中接入输入阻抗 很高的前置放大器。其输入阻抗越大，测量回路的时间常数越大，传感器的 低频灵敏度越好。当连接传感器的电缆比较长时，输入电压幅值也随之变 化，导致传感器的前置放大器的输出也变化，因此传感器的输出电压与连接 电缆长度有关，在设计时，经常固定连接电缆的长度，在使用时，若改变连接 电缆的长度，必须重新校正传感器的灵敏度，否则会由于连接电缆的影响， 产生误差。电荷放大器可以克服上述困难，所以采用电荷放大器作为 p v d f 压电薄膜的前置放大器。 电荷放大器选取一个具有深度负反馈的高增益放大器，等效电路如图 5 和图6 所示。如果放大器的开环增益足够大，放大器的输入阻抗很高，放 大器输入端就几乎没有分流，运算电流只流入反馈回路。当放大器的开环 增益足够大时，传感器本身的电容和电缆的长度不会影响电荷放大器的输 出。电压输出由r ，和c ，决定。 图4 电压传感器的完整等效电路 1 0 口 q 图5电荷放大器原理电路图 图6 压电传感器接至电荷放大器的等效电路图 2 2 p v d f 压电传感器的制作 本文选用湖南株洲塑料厂生产的p v d f 薄膜，每片的尺寸为1 5 0 r a m x 5 m m 1 0 0 1 x m ，其基本的物理性质如表1 。在基于计算机的系统测量中，物 理信号转换成电信号进入计算机之前，多数情况下，所测的物理信号是非常 低的电压，并且对噪声敏感，这种情况下，将所测量的信号转换为计算机使 用的数字格式前需要进行放大和滤波。p v d f 压电薄模输出的信号也是如 此，因此，p v d f 压电传感器由p v d f 薄膜、双心屏蔽导线、放大电路、低通滤 波电路组成，电路图如图8 所示。p v d f 压电薄膜的两个面分别与双心屏 蔽导线的两极相连，连接材料为5 8 4 2 9 型环氧导电胶，胶体室温固化，体 电阻为2 水1 0 f v c m 。当p v d f 压电薄模作为传感器时，由于它本身就是一 个电容器，因此表面产生的电位移就是电压。考虑到p v d f 压电薄模的高阻 抗特性，而且其输出电压有比较大的共模值，所以其前置放大器选用 a d 6 2 0 仪表放大器，它可以减少噪声，提高共摸抑制比( c m r r ) 。它只须一 只外接电阻便可以设置2 1 0 0 0 范围的任何增益。它是一种完整的差 分放大系统，由于对内部匹配电阻进行了精密激光修整，所以具有优良的线 性度和共模抑制，其内部电路结构如图7 。 图7a d 6 2 0 电路结构 为了得到较好的线性度和共模抑制，本放大器选用较小的放大增益，增 益电阻r 。的选择，按下式计算：r 。= 5 0 5 k 1 1 ( g 一1 ) ，本放大器的r 。选择 l ok n ，对应的放大倍数为6 5 倍。滤波电路选用赛伦一凯二阶低通滤波 电路，考虑到9 8 的足底压力信号的频率低于1 0 h z ，9 9 的足底压力信号 的频率低于1 5 h z ，选取滤波电路的截止频率在2 0 h z 以上，同时考虑到工 频干扰频率为5 0 h z ，所以滤波电路的截止频率选在2 0 3 0 之间。，令滤波 电路中的r l = r 2 ，依据公式：截止频率f 。= 1 2 r 。( c 。c ：) ”2 ，选取c = c ：= 1 0 5 p f ，r 1 = r 2 = 2 0 0 k ，贝0f ，= 2 5 h z 。 表1p v d f 压电薄膜的物理性能 压电应变常数d 3 12 3 p c n 压电应变常数d 3 24 p c n 压电电压常数9 3 1 2 2 0 1 0 - 3 v i i n 机电耦合常数k 3 1 1 5 相对介电常数 1 4r1 0 h z ) 断裂伸长 m d 2 5 ( 平行拉伸方向) 杨氏模量 y 1 5 1 0 9 n m 使用温度上限t b 1 2 0 1 2 + 输 入 _ 图8 传感器放大和滤波电路 2 3 p v d f 压电传感器的性能测定 本测试用m t s 一8 5 8 双向加载实验系统完成，测试系统如图9 所示。 图9p v d f 压电传感器的性能测试系统 测试l ： 在载荷端加不同重量的砝码，测试出不同应变下p v d f 的输出电压。 由于p v d f 薄膜的电容很小，当它受外力作用时，所产生的电荷很难长时间 保持，因此，为了准确地测出p v d f 压电传感器在静态力作用下的输出电压， 采用了动态数据采集，并取最高的输出电压和相应的应变，p v d f 压电薄膜 上的电荷可以通过最高输出电压变换得到，得到的应变一电荷曲线如图1 0 所示。换算公式为： q = c v = s s v d = ( 1 4x 0 1 5 0 0 0 5 1 0 0 1 0 “) v = 1 0 5 0 1 0 3 v ( p c ) 1 3 8 为p v d f 压电薄膜的介电常数，s 为p v d f 压电薄膜的面积，d 为 p v d f 压电薄膜的厚度。v 为p v d f 压电薄膜上的电压，p c 为电荷单位， 1 p c = 1 0 ”c 。 从图中可以看出p v d f 压电传感器的输出电荷和相应的载荷呈线性关 系，而且线性度很好。这与理论推导是一致的，因为在外力作用下，p v d f 压 电传感器的输出可以表示为 v i 。= g i j t f l ( 1 ) p v d f 压电薄膜受到纵向拉伸力t 1 和横向压缩力，1 2 的作用，这时 p v d f 的输出为： v ，v d f = e v ：= g i j r i j t ( 2 ) 即v 。，d f = ( 9 3 1 t l + 9 3 2 t 2 ) t = ( 9 3 l + v 9 3 ：) t t t ( 3 ) 经放大后p v d f 传感器最终的输出电压为： v o = k l k vd f ( 4 ) 即v o = k l k 。( 9 3 l + v 9 3 2 ) t 1 t ( ，) p v d f 压电薄膜的输出灵敏度可以表示为： s v 0 = v o i = k l k ，( 9 3 1 + v 9 3 2 ) y p m tx e p ，d f j ( 6 ) 式中k i 一电荷放大系数，k ，一电压放大系数，v 一泊松比，y 州r 一压电薄 膜的弹性模量，t 压电薄膜的厚度，e 。，。厂压电薄膜的应变，8 j 一被测结构 的应变。 根据式( 6 ) 可以看出，当k ；k ，固定时，p v d f 压电薄膜的输出灵敏度与 p v d f 的应变与被测结构的应变之比呈正比。 1 4 静态载荷作用下电荷一加载力的散点图 5 0 01 0 0 0 加载力n 系列l 图1 0 p v d f 压电传感器的输出电荷和相应的载荷呈线性关系，而且线性度 很好。 测试2 ： 在测试前对每个传感器分别进行预先加载，0 2 0 k g ，加载一卸载不少 于5 0 次。测试时由加载头( 直径为1 c m 的橡胶客体) 对p v d f 压电薄膜施 加一峰值为5 0 k g 、i o h z 的正玄力，并记录下p v d f 的输出电压曲线和加载 力的对应数值。根据二者的数据关系，绘制电压和加载力的相关关系图，如 图11 所示，数据图表明二者有很好的线性相关性。根据散点连线图，用最 小二乘法，算出相应直线的斜率，即传感器的灵敏度k 传。实验表明各个传 感器的散点分布连线的斜率，对k 。偏离都很小。 加琥力( k g ) 。 ， 一 一 0 电压值0 a v ) 图1 1 动态载荷作用时p v d f 的输出电压一加载力的关系图 1 5 ， 一 一 一 一 ， 一 一 一 一 一z m h h m m m m k m i i i默k “； u ( 1 撂譬 如 们 如 如 。 测试3 ： 压电常数d ，的稳定性，直接关系到压电薄膜输出电压的线性度，因此 有必要检测压电常数d ，。受温度影响情况，选取经常遇到的常温范围：0 一一 - 6 0 度为研究温度，d ，。的数据由加载力与输出电压计算得出，d ，。= c u f = e s u t fs 为薄膜面积，为薄膜相对介电常数1 4 ( 1 0 h z ) ，t 为压电薄膜厚 度1 0 0 1 山m m 。 温度日c 01 01 5 2 02 53 03 54 04 55 05 56 0 d 3 。值 1 9 82 0 22 0 02 0 ，62 22 3 82 42 5 72 83 3 5 3 5 13 8 p c n 图1 2 d ，。压电常数与温度的关系 从图1 2 中可以看出，d 3 。压电常数在温度为4 0 度时，出现拐点，在4 0 度 之前变化缓慢，基本稳定。查阅国外资料得知，其他压电常数：d 3 3 d ，：等也随 温度变化而变化，而且随温度的升高，d 3 3 d 。：压电常数的值更小。 测试4 ： 足底压力的作用可以使p v d f 产生压电效应，但足底压力作用在p v d f 薄膜上，薄膜的变形较复杂，既有受压力变形，也有自身的弯曲变形和不均 匀受力变形。p v d f 薄膜上的电荷是这几种变形作用的综合结果。这对 p v d f 薄膜的敏感性影响程度如何，对于p v d f 薄膜能否真实反映足底压力 的变化非常重要，因此有必要对传感器的不同加载情况进行实验研究。为 此，设计面积大小不同的加载头、不同弧度的加载头以及不同面积大小的 p v d f 薄膜，对传感器进行加载实验，比较标定曲线峰值的平均值和电压一 加载力的线性相关回归直线的斜率( k 传) 进行t 检验，实验数据见表2 。结 果说明，面积大小不同的加载头和不同弧度的加载头以及不同面积大小的 1 6 p v d f 薄膜，标定曲线峰值的平均值，电压一加载力的线性相关回归直线的 斜率之间均无明显差异。可见p v d f 薄膜被复杂的加载头作用时，能真实 反映足底压力的变化。 表2 a 组为1 0 片不同面积的p v d f 薄模，b 组为l o 个不同面积的加载头， c 组为l o 个不同弧度的加载头，对照组为1 0 个面积大小一致的p v d f 薄 模，加载1 0 个面积相同的平面加载头。经t 检验，各组间峰值、回归线斜率 的差异均不显著，p 0 0 5 。 第三部分 测量系统的硬件组成 系统硬件主要包括压力传感器测试板、信号调理电路、信号采集以及计 算机系统。压力测试板上的1 6 个传感器，受到足底压力作用后，会产生与 压力成正比的电荷，经放大电路放大后，通过二阶滤波电路过滤杂波，然后 通过a t m i o 一1 6 e l 数据采集板，输入计算机。系统原理图如图1 3 。 1 7 计算机系统 ( l a b v i e w 开 发环境下的数据 采集存储v i ，数 据显示、分析 v i ) 图1 3 测试系统的硬件组成原理图 3 1 压力测试板的制作和信号调理系统 将p v d f 薄膜裁剪成大小为1 5 0 m m 5 m m 的条状，制作成1 6 块，用绝 缘硅橡胶将1 6 块裁剪好的p y d f 薄膜固定在有机玻璃板上，每条p y d f 薄 膜间隔5 m m ，在p v d f 薄膜的一端的上下二个表面上，用导电胶将双芯屏 蔽导线粘接固定，并引出导线，与放大电路和滤波电路连接。在有机玻璃板 下面配置木制支架和放大滤波电路板，在p v d f 薄膜上面粘接厚度为5 m m 硅橡胶，以保护p v d f 薄膜。1 6 路p v d f 薄膜的信号调理电路如图8 所示 其中a d 6 2 0 和c a 3 1 4 0 需要电源支持，它们使用的电压范围为4 v 一1 5 v ，所 以选择电源电路如图1 4 ，提供电压为+ 1 2 和一1 2 v 。 + 1 2 一1 2 + 5 图1 4 系统电源电路 3 2 传感器输出信号与计算机之间的硬件接口系统 3 2 1 数据采集板的选则 随着计算机和总线技术的发展，基于p c 计算机的数据采集( d a q ) 板 1 8 卡产品得到广泛应用。一般而言，d a q 板卡产品分为内插式( p l u g i n ) 板卡和外挂式板卡两类。内插式d a q 板卡包括基于i s a 、p c i 、p x i c o m p a c tp c i 、p c m c i a 等各种计算机内总线的板卡，外挂式d a q 板卡则包括 u s b 、i e e e l 3 9 4 、r s 2 3 2 r s 4 8 5 和并口板卡。内插式d a q 板卡速度快，但插 拨不方便，外挂式d a q 板卡连接使用方便，但速度相对较慢。n i 公司最初 以研制各种先进的d a q 产品出名，因此，丰富的d a q 产品支持和强大的 d a q 编程功能一直是l a b v i e w 系统的显著特色之一，并且许多厂商也将 l a b v i e w 驱动程序作为其d a q 产品的标准配置。一般情况下，d a q 硬件 设备的基本功能包括模拟量输入( a d ) 、模拟量输出( d a ) 、数字i o 和 定时器计数器。l a b v i e w 环境下的d a q 板卡设计也是围绕着这四大功 能来组织的，这四大功能中，模拟量输入( 数据采集) 是l a b v i e w 的核心技 术之一，也是l a b v i e w 与其他编程语言相比的优势所在它为用户提供了 功能强大，但方便快捷的模拟信号采集方案。所以，本系统选用了n i 公司 的内插式数据采集板a t m i o 一1 6 e 一1 ，作为信号与计算机之间的接口， 它与计算机的i s a 总线连接。 a t m i o 一1 6 e l 数据采集卡的结构框图如图1 5 所示。它是一个具 有1 6 通道模拟输入的数据采集板，模拟输入信号的电压范围为o 1 0 v 或一5 一+ 5 v ，其a d 转换器位数为1 2 字节，最高采样速度为1 2 5 m s s ， 每秒最高采样次数为1 2 5 兆次，它表示单个通道采样能使用的最高采样频 率，它限制了该数据采集卡能够处理信号的最高频率( 最高采样次数的一 半) ，如果进行1 6 通道采样，能够达到的采样频率是原最高采样频率的l 1 6 。a d 转换器是把模拟量转换成数字量的器件，也是d a q 硬件的核心。 就工作原理而言，a d 转换有3 种方法：逐次逼近法、双积分法和并行比较 法，在d a q 产品中应用较多的是逐次逼近法。衡量a d 转换器性能好坏 主要有二个指标：一是分辨率，即a i ) 转换器的位数：二是a d 转换器的 速度。a t m i o 一1 6 e l 数据采集板的模拟输入通道主要包括四个部分： 第一部分是多路开关( a n a l o gm u x e s ) ，其功能是选择多路输入信号中的 某路信号并送入下一电路单元。第二部分是可编程放大器( p g i a ) ，其功能 是对输入信号进行放大，放大倍数可用程序进行控制；第三部分是1 2 字节 的a d 转换器( a d c ) ，负责将模拟信号变成数字信号；第四部分是f i f o 电 路，作为a d 输入的缓存，以保证连续采集输入信号时不丢失信号。此数 据采集卡在l a b v i e w 软件环境下应用，使用时不需要自己编制硬件驱动 1 9 程序，而且软件具有更广泛的兼容性和灵活性，在其他测试任务和系统中也 能使用。 2 0 图1 5a t m i o 一1 6 e 一1 数据采集卡的结构框图 3 2 2 数据采集板的参数设置 当设置d a q 数据采集卡时，需要考虑模数转换的品质。用d a q 系统 测量模拟信号时，会产生许多问题，例如，信号幅度极限是多少? 信号随时 间变化的速率是多少? 因为采样率决定了a d 转换的频率，后一个问题显 得非常重要。因此需要关注几个参数：分辨率、区间、信号极限幅度、采样 率。a t m i o 一1 6 e 一1 数据采集板，可以通过m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o n e x p l o r e r 软件设置这四个参数。用于表示模拟信号的比特数决定了模数转 换的分辨率，模数转换的分辨率越高，模数转换区间内的分度数越多，可以 表示的模拟信号越精确。a t m i o 一1 6 e l 数据采集板使用1 2 比特数进 行a d 转化，模数转换分度数为2 “，可以为模数转换提供足够的精度。区 间表示模数转换所能处理模拟信号电平的最大值和最小值，为了充分利用 现有的分辨率，应该设法使输入信号的区间与该区间相匹配，a t m i o 一 1 6 e 一1 的信号区间为o l o v 。信号极限幅度集合指所测量信号的最大最 小值范围，该集合与输入信号的最大最小值越接近模数转换中能够表示信 号的数字分度就越多，可见准确的信号极限幅度集合可以确保模数转换使 2 1 用更多的分度表示信号。压力传感器量程由系统的测量量程确定，正常人 以常速行走时足底受力小于1 0 0 k g ，足底总支掌面积最小为2 平方厘米，此 时受力最大，当压力传感器面积为0 5 0 5 平方厘米时，且处于最大受力 区域内，则传感器受力的最大值f m a x = 1 0 0 k g ( 2 c m x l e m ) x ( 0 5 c r u x 0 5 c m ) = 1 2 5 k g ，此为极限情况，多数情况下压力值分布于o 一一1 0 k g 之间。由 此可知，压力传感器的量程应该大于1 5 k g ，p v d f 传感器此时的输出电压 小于2 v ，考虑p v d f 传感器的输出信号在o q v 之间，所以信号极限幅度 设置为0 2 v 。分辨率、区间、信号极限幅度集合决定了输入信号中可以检 测到的最小变化量。电压中的这种变化量表示了数字取值的一个最低有效 位( l s b ) ，即编码宽度( v 。= r a n g e 2 吐眦明o n ) ，本系统的编码宽度为： v 。= 1 0 2 “= 2 4 m y 。采样率是d a q 卡采样输入信号的速率，采样率决定 了模拟数字转换的频率。计算合适的采样率需要知道输入信号的最大频率 以及模拟信号数字表示所要达到的精度。还需要知道输入信号的噪声及硬 件特性。通常来说，在给定的时间内，高采样率将获得更多的采样点数，对 原始信号的表达将比低采样率更好，过慢的采样率会导致欠采样错误。为 了防止出现欠采样错误，采样率必须满足采样定理：采样率至少为输入信号 频率的2 倍。多通道采样时，每个通道的采样率为总的采样率通道数。因 为9 8 的足底压力信号频率小于1 0 h z ，1 6 通道采样信号时，所以通道总的 最小采样率为：2 1 0 1 6 h z = 3 2 0 h z ，通常的采样频率都大于信号频率的 1 0 倍，考虑到每个通道每个信号周期