，來完成足底壓力信息的采集、處理和發送；最后對信號進行降噪處 理，增大信噪比，使采集到的信號可靠有效。
[0022] 如圖10所示，為本發明的足底三維壓力測量裝置的結構圖，測量裝置包括恢復泡 沫層、傳感器層、襯底層、引線層、墊板層和引線接口板，最底層為硬質材料制作的墊板，最 上層為恢復泡沫層，泡沫的厚度為20mm-30mm，恢復泡沫選用聚氨酯泡沫、有機娃泡沫、改性 有機硅填充無機短纖維等材料。恢復泡沫層下為傳感器層，傳感器層下為襯底層，襯底層下 為引線層，將傳感器和引線分別布置在不同層上就避免了二者相互干涉，引線層的傳感器 引線接入引線接口板。襯底層為彈性基質材料，可以是橡膠材料，電容式壓力傳感器層壓力 傳感器層設置在彈性材質的襯底層和恢復泡沫層之間，彈性材質的襯底層和恢復泡沫層都 是柔性材料，可以對壓力傳感器起到保護作用，使受力均勻。測量裝置的上表面為矩形，寬 度45厘米到1米，長度3米到5米，方便被測試者在上面走動，不僅可以監測站立時的壓 力變化，也可以監測在正常走動時足底的壓力變化。
[0023] 本發明的電容式壓力傳感器包括圓環電容單元組和條狀電容單元組，所述圓環電 容單元組用于測切向力和法向力的大小，所條狀電容單元組用于測量切向力的方向，所述 條狀電容單元組設置在基板圓環電容單元組外的四角。圓環電容單元組包括兩組以上圓環 電容單元對，所述圓環電容單元對包括兩個圓環電容單元，所述條狀電容單元組包括X方 向差動電容單元組和Y方向差動電容單元組，X方向差動電容單元組和Y方向差動電容單元 組均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個以上的條 狀電容單元組成的梳齒狀結構，每個圓環電容單元和條狀電容單元均包括上極板的驅動電 極和下極板的感應電極。所述每個圓環電容單元的感應電極和驅動電極正對且形狀相同， 所述每個條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相同，條狀電容單元的驅動電極長度大 于感應電極長度，條狀電容單元的驅動電極長度兩端分別預留左差位和右差位δ φ，?3。 驅=bo感+ δ S + δ左，其中b0驅為條狀電容單元的驅動電極長度，b0感為條狀電容單元的感應 電極長度。所述條狀電容單元的左差位δ s =右差位δ $，_§
其中d。為介 質厚度，G為彈性介質的抗剪模量，Tyniax為最大應力值。所述兩組相互形成差動的電容單 元模塊的條狀電容單元的驅動電極和感應電極沿寬度方向設有初始錯位偏移，錯位偏移大 小相同、方向相反。所述圓環電容單元組包括η個同心圓環電容單元，其4
中，aT為平行板的長度，^為圓環電容單元圓環的寬度，a50相鄰兩圓環電容電容之間的電 極間距。所述電容單元模塊采用梳齒狀結構，X方向差動電容單元組和Y方向差動電容單 元組均包括m個條狀電容單元，
，其中，aT為平行板的長度， 為相鄰兩條狀電容單元之間的電極間距，a。條狀電容單元的寬度。所述同心圓環電容 單元的寬度^和條狀電容單元的寬度a。相等；條狀電容單元電極間距a δ #和圓環電容單 元電極間距a5 0相等，所述條狀電容單元的寬度；
其中，d。為介質厚度，E為彈性介 質的楊氏模量，G為彈性介質的抗剪模量。所述圓環電容單元組和條狀電容單元組的驅動 電極通過一個引出線與傳感系統信號處理器連接，所述圓環電容單元組的每個圓環電容單 元的感應電極單獨引線與傳感系統信號處理器連接，所述X方向差動電容單元組和Y方向 差動電容單元組的電容單元模塊感應電極分別各自通過一個引出線引出與傳感系統信號 處理器連接。所述圓環電容單元、電容單元模塊和傳感系統信號處理器之間分別設有中間 變換器，變換器用于設置電壓或頻率對電容的傳輸系數。
[0024] 下面結合附圖1-10對本發明的推導和原理，對各部分形狀、構造、各部分之間的 相互位置及連接關系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進一步詳 細的說明。
[0025] I. 1電容公式及其輸入輸出特性
[0026] 平行板的初始電容為：
[0028] 式中，ε。真空介質電常數為8. 85PF/m，ε ^ 2. 5為電介質的相對介電常數，A。為 上下極板初始正對面積。（1。受σ η的激勵產生相對變形ε η= δ n/d。= σ η/Ε，代入（1)式 得到輸入輸出特性
[0030] 1. 2法向應力作用下的線性度和靈敏度
[0031] 1.2.1法向線性度
[0032] (2)式中^在分母中，故Cn= f(Fn)的關系是非線性的。因轉換量程中的最大值 〇n_與介質彈性常數E相比，ε n是個很小的量，即分母中ε n〈〈l，將（2)式按級數展開并 略去二次方以上的高階無窮小，可簡化為：
[0034] 可見在(；與F n的轉換特性中的法向線性度的最大相對誤差接近于零。
[0035] L 2. 2 靈敏度
[0036] 按法向靈敏度的定義
[0037] 而按⑵式則
[0039] 按（3)式可得線性靈敏度，
[0040] Snl=C0AE= e〇er/d〇E (5)
[0041] Sn2? Fn而變，Fn愈大，Sn2愈大，在整個轉換特性上呈輕微非線性。
[0042] 1. 3切向位移和圓環電容器有效面積之間的關系
[0043] 針對同心圓環電容對進行分析，如圖1所示，R1為外圓半徑，R2為內圓半徑，r =圓 環寬度=大外圓半徑R1-內圓半徑R2。給驅動電極一個切面上的力Fx，導致上下對應的驅 動電極和感應電極產生一個剪切錯位，設d x為切面位移，錯位面積為S ?和S#，電極板的初 始正對面積應為(?2-?2)。圖2為外同心圓環電容對外徑圓分析圖，移動前后兩圓心距 離為d x，移動前后兩圓心和兩圓的交點形成一個菱形，可以計算S#的面積：
[0044]
[0045] 上式中，有Cl3^R1，所以取
[0047]
?的泰勒級數展開，并略去高次項，
[0048]
[0049] 同理，可以知道，S內=2R2dx，所以同心圓環電容的錯誤面積為S = 2RA+2RA。
[0050] 1.4切向應力τ激勵下的圓環電容單元組的電容變化
[0051] 切向應力τ并不改變極板的幾何尺寸參數Α。，對介質厚度d。也不產生影響。然 而^和τ y改變了平行板電容器的空間結構，正向面對的上下極板之間發生了錯位偏 移。極板在τ作用下的錯位偏移d x。當τ為零時，圓環電容單元的上下電極是正對 的，上下電極之間有效截面4 = Ti珩- π圬，在圖2中，在τχ右向的作用下，上極板相 對于下極板產生了向右的錯位偏移dx，從而使上下極板之間在計算電容時的有效面積
，由此產生的電容為：
[0053] 根據剪切胡克定律
[0054] τχ= γ x · G = G · δ x/d〇 (7)
[0055] 將（7)代入（6)可得
[0057] (8)式即為切應力下的輸入一輸出特性，(^與τ x呈線性關系，其靈敏度
[0059] 由公式（9)可以看出切向靈敏度和R1-R2有關，即切向靈敏度和圓環的寬度成反 比，寬度越小靈敏度越高。
[0060] 2平板電容器的設計
[0061] 2. 1平板電容器的設計
[0062] 參見圖3中的電極平面布置和圖4驅動電極的結構圖，在一個IOX IOmm2的基板 上的一種圓環式接觸式平行板三維壓力傳感器，傳感器包括圓環電容單元組和條狀電容單 元組，圓環電容單元組用于測切向力和法向力的大小，條狀電容