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检测技术论文
检测技术
——足底压力测量系统设计
学院:
信息与科学技术学院
专业:
07电子信息
学号:
姓名:
时间:
2010年11月28号
成绩:
摘 要:
2010年广州亚运会正在火热的进行中,而作为运动会的主角运动员显得格外引人注目。
而我国著名运动员刘翔更是在男子110米栏决赛中,以13秒09的成绩夺得冠军。
连续第三次打破了赛会纪录。
而作为运动员的运动技术动作和足底对地面的作用压力分布有着密切的关系,因此如何测试,运动员足底作用压力分布并得出准确数据显得非常重要。
足底压力分布测量系统进行开发,应用其系统软件的应用技术功能,得出落地瞬间足底压力的分布图及最大力、每平方厘米最大压力、每平方平均压力的参数值,绘制出步态的压力峰值三维示意图和落地瞬间压力曲线图,为提高运动技术诊断提供重要的科学依据。
同时也可以纠正运动员的动作,以达到完美的地步。
前言:
在很多运动项目中,运动员的运动技术动作和足底对地受试者穿带压力感应鞋垫,并携带面的作用压力分布有着密切的关系,通过对运动员足底作用测试数据采集器,穿着不同型号鞋,按实验压力分布的分析,可以得出运动员落地时技术动作是否正确要求做规定的动作。
因此如何测试运动员足底作用压力分布并得出准确数据显得非常重要。
通过足压检测系统可以得出压力分布测量的压力数据,初步开发足底压力分布测量系统的应用技术,为提高运动技术诊断提供科学依据。
由于个人能力和技术限制,这里没有做出实物,所以未得出检测数据。
1、系统的建立
根据足底压力测量设备的工作原理,设计了足底压力分布测量系统框架,如图1所示。
首先准备元件和一些电路的测量,然后制作压力测量鞋垫,制作完成后的测量系统由电源、压力测量鞋垫、仪表放大器集成电路、数据采集设备和测试软件组成。
由于时间和个人能力的限制软件部分没有进行过多的阐述。
图1
2、元件选择
2.1传感元件的选择
系统在传感元件的选择方面,选择应变片.原因是系统测量的底压力分布测量系统的设计是穿鞋状态下足底的压力值,传感元件使用环境的特殊性决定了传感器的面积和体积必须尽量小,以确保穿着者在测量时的足部舒适.但目前市场上绝大多数传感器都是应用于工业,体积大且质地坚硬,不能满足穿着者足部舒适性的要求.经过大量的查找,决定选择使用电阻应变片.电阻应变片是一种能将被测试件上应变的变化转换成电阻变化的感应元件,是应用最广的力电转换元件.电阻式应变片主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。
而且考虑在到测量时人体运动和体温变化已经一些客观因素的影响,本系统选用的是金属电阻应变片,具体如下:
1)金属电阻应变片在变形类型上分为受拉应变和受压应变两种.而变本类系型统的的金待属测电量阻是应人变体足 底部压力值。
2)由于人体是一个发热体,考虑到温度变化对应变片的影响,所以选择带有温度自补偿的金属电阻应变片.
3)正常人以常速行走时,足底受力不超过100KG,行走时足底与支撑面的最小接触面积约为两个平方厘米,此时受力最大.当传感器的敏感受力面积为0.25平方厘米,且处于最大受力区域内,则传感器受力的最大值为f=12.5KG
综合以上三个因素,所以系统选择的金属电阻应变片所能承受的压力值大于40KG.
2.2传感器元件灵敏度的确定
在测定灵敏度之前,首先,将应变片的电压输出端和仪表放大器的电压输入端相连接,并且为应变片的电源输入端接人士1V的电压,为仪表放大器的电源输入端接人士12V的电压;最后,依次在应变片上施加1kg~40kg的压力,同时在仪表放大器的输出端读出电压值.如果在测量过程中出现了输出电压大于10V的情况,就必须调整仪表放大器的放大倍数.因为电压输出端最终要与数据采集设备相联接,而数据采集设备所允许的最大输入电压值为10v,所以仪表放大器的输出电压必须保持在10v以内。
根据所测得的输出电压值,作应变片的压力一电压曲线图。
数据采集设备自带的测试软件要求灵敏度的单位为v/pa,故定义为u/p,可知,
灵敏度=0.22×0.785×0.0001=1.73×10(v/pa)
2.3电桥测量电路
因为金属电阻应变片只是将力转化为金属丝的电阻值变化,所以要通过电桥测量电路,将电阻的变化量转变为电压变化量,从而测量出被测点处所受的压力值.电桥测量电路是进行非电量转换为电流或者电压的最常用的方法,本系统采用直流电桥电路。
系统中选用的BE20一KA电阻应变片,已经用激光刻制了4个精密的敏感应变电阻,所以只要将其引线进行相应的连接,就可以搭成惠斯登电桥电路.接成惠斯登电桥电路后应变片的引线数为4条,其中
2条为电源输入端,另外2条为电压输出端.
2.4足底部测量点的确定
足底压力分布区域口是描述人体在下肢动作过程中,不同状态下足底各区域所承受压力的情况.适当的足底区域划分,可以发现足底局部产生过高压力的情形.在以往的研究中.一般将足底部详细划分为15个区域,本系统选择了10个区域作为实验的测量位置,分别为右图中的1~8,10,15区域.
3、制作压力测量鞋垫
3.1材料选择材料选择方面选择质地柔软,易于弯曲,易于放置在鞋的内部,同时要舒适,以满足穿着者的要求,保护穿着者的脚鞋垫选用厚度为1mm的塑料薄膜,在薄膜的一面具有强力胶,便于贴敷于其它较光滑的表面。
3.2压力测量鞋垫的简易只做过程:
A、 将塑料薄膜裁剪成3片完全相同的38号标准女性鞋垫(约23.5cm)形状.
B、将其中的一片作为应变片的载体,在其表面确定10个测量位置.其中一些关键位置与脚长的关系。
C、将应变片安装在确定的测量位置,同时将它的电压输出端放置在薄膜,的另一面,以确保应变片的电源输入端和电压输出端分别在薄膜的两个侧面.
D、因为应变片共用一个电源,所以将10个应变片的电源输入端串联;应第5趾变片的电压输出端分别引出各自的电压输出导线.
E、将作为应变片载体的薄膜的两侧分别粘贴上剩下的薄膜,起到封装的作用,达到保护应变片的。
4、放大器说明
常用的测量中都采用将模拟信号转换为电压或者电流信号来达到测量的目的。
而且此系统是通过应变片来测量的,而应变片其实相当与就是电阻丝,将应变片贴到需要测量部位,该部位受力出现变形后,应变片的电阻丝也会跟着被拉伸或者挤压,也就是电阻变大或者变小,通过测试软件内部的计算转换就可以得出该部位的受力状况。
而通常的应变片阻值为120欧姆,其变化量自然很微小,所以必须通过放大器把应变片的变化值放大,才可以很容易地得到测量结果,就是精度提高了,也就是说,你未采用放大器的时候,你可能只能认出到1欧姆以上的变化,但很多情况下。
测量值实质上可能只变化了零点几欧姆,你要不把这个微弱的变化放大你不会认出人家已经出现了变化。
放大电路
5、数据采集与处理.
本系统采用的数据采集是多路同步通道系统.如同所有的数据采集设备一样,都包含数据输入,数据输出,数据处理等模块,并具有多通道同步采集以及网络连接的特性。
同时应该自带数据分析软件,这样可以减少很多费用已经人员的消耗。
所以在数据采集上选择了IMC公司生产的MUSYCS。
MUSYCS包含数据输入,数据输出,数据处理等模块,并具有多通道同步采集以及网络连接的特性,同时MUSYCS自带的测试软件,该备测试软件具有良好的用户使用界面,一旦被成功安装,这个设备就可以立刻投入使用。
MUSYCS测试软件安装成功后,对测试的参数配置可采用分步设定:
1)通道的选择根据外部的硬件连接,激活测试使用的通道,对于暂时不进行测试的通道,建议设置为“Passive”,避免对其它测试通道造成的干扰.系统采用单点测量进行足底各测试点的压力测量.
2)传感器类型的选择与参数设置 在选择了正确的测试通道和传感器类型后,应根据实际填写灵敏度,即每单位被测物理量对应的电压大小.系统所选用的类型是压电式压力传感器,其灵敏度设置为“1.73×10v/pa”.
3)放大器的设置 对于测量范围的设定也就是确定内置增益放大器的放大倍数,用户可根据实际信号的大小来设定该参数.本系统选择5100000Pa,它是由电压的最大输入范围与传感器灵敏度相除得来的,10V/(1.73×10V/Pa)=5780000Pa.
4)采样时间的设定即A/D转换时间,范围为12.5MS/1H测试中,通道采样频率为50KHZ
5)显示方式的设定包含:
自动式、记录仪式、示波器式等3种显示方式.系统采用的是传统的示波器式.
6、测试步骤
1)应变片和仪表放大器的电源输入端分别接入+1v和一1v,+12v和一12v的电压,电压输出端与数据采集设备的信号输入端相连接;
2)将系统测试软件的初始条件设置好,准备测试;
4)将压力测量鞋垫放入鞋中;
3)受试者穿带压力感应鞋垫,携带测试数据采集器,穿着不同型号鞋,分别做跳跃动作,测试出不同类型的鞋承受人体力及单位面积压力在鞋底分布情况的指标。
7、实验数据标定
1)进行足底压力分布测量系统硬件连接对受试者在测试中所穿着的压力感应鞋垫进行标定将空气压缩机与校准系统硬件连接,测量系统硬件的1副鞋垫插入校准系统内标定模块,逐项操作进行标定。
2)检测压力感应鞋垫的标定结果
应用在线测量模块检测压力感应鞋垫的标定结果
3)测量系统软件提供的测量参数力及单位面积的压力、最大压力、平均压力。
4)测量系统软件可实时提供测试过程中的鞋垫压力分布情况。
5)测量系统软件可对测试参数进行平滑处理。
说明:
由于个人能力和时间等一些客观原因的限制,这里并没有实物,所以这里并没有实验数据,因此无法做过多的数据分析。
只能简单的列出实验步骤和实验方法
结论:
通过几周的努力,足压测量系统顺利的完成,本系统仅仅局限与理论阶段,还没有实现实物实验阶段,本系统分为硬件和软件两个部分,硬件方面主要是鞋底的制作和数据采集,软件方面主要是对收集到的数据进行分析,以得出对我们有用的结论,能真正给我们体育运动得到帮助。
通过应用我所学的知识和网上一些资源,该系统基本的架构和理论知识基本已经完成。
虽然是一个简单的设计,但是在此过程中我还是学到很多知识,也更加熟悉了所学课程的真正的意义,对系统的开发和论文写作有了更多的了解,也为我写毕业论文打下了一定的基础,
参考文献:
[1]张潇、卢世壁人体足底压力的测量与分析医用生物力学1994
[2] 韦启航、人体步态分析系统——足底压力测量系统的研制中国生物医学工程学报2000
[3]壮训达、陈五洲.穿着厚底鞋对步态的影响体育学报20000
[4]《中国鞋业大全》编委会.中国鞋业大全——设计工艺设备北京化学工业出版社2000
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