專利名稱：一種具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的制作方法
技術領域：
本發明屬壓力分布測量系統領域，特別是涉及一種具有多層感芯結構的動態足底 壓力測試鞋墊。
背景技術：
足底壓力分布特征是揭示人體步態規律的重要指標之一，足底壓 力分布測量在生 物力學、康復醫學、矯形外科、體育訓練、制鞋業等領域有著重要的指導意義。目前臨床使 用的壓力測試板和測試臺技術存在極大的空間局限性，不具備可穿戴性。因此，開發具有 可穿戴的壓力鞋或壓力鞋墊成為該技術領域的重要工作。研制成功的主要產品有美國 TEKSCAN公司的F-Scan MobiIe鞋墊系統，采用TEKSCAN專利傳感器，可以提供步態的壓力 分析、平衡分析及角度測量；德國NOVEL公司的Pedar鞋墊壓力系統，采用電容式傳感器， 可以測量動態足底壓力的變化情況；比利時RSSCAN公司的鞋內壓力測試儀，采用壓阻式傳 感器，可對鞋內壓力進行測試。這些產品的關鍵技術均沒有公開。中國專利公開了部分技 術，如王輝林等的發明專利《鞋墊式足底壓力測量裝置》，公開號CN201267478。該技術采用 壓電陶瓷元件作為信號采集模塊，可提供足底三維壓力測量。由于壓電陶瓷元件剛性大，嵌 入鞋墊中勢必影響鞋墊的柔軟性和穿著舒適性，且測試系統僅限于專用鞋或裸足使用，測 試存在著局限性。除此之外，《中國生物醫學工程學報》2000年第19卷第1期發表的韋啟 航等的論文《人體步態分析系統一足底壓力測量系統的研制》，介紹了一種足底壓力測試系 統，核心傳感元件為壓敏電阻陣列傳感器，整體系統包括測試鞋和專用測試軟件，可采集人 體步行時的足底壓力。《壓電與聲光》2008年第30卷第4期發表的舒方法等的論文《PVDF 壓電薄膜在足底壓力測量中的應用》，介紹了采用壓電薄膜制作傳感陣列用于足底壓力測 量的可能性。但是，該文未介紹具體的結構設計，也未形成實用的測試系統。而且，由于嵌 入鞋墊中使用的聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜感芯單元面積不能過大，不可避免地將導致 所產生的信號弱、信噪比低；另外，嵌入鞋墊中的PVDF壓電薄膜在對柔性材料壓力信號的 測試中存在著信號的滯后性，但該文并未對上述問題提出可行的改善措施。作為測試足底壓力的鞋墊，其傳感器單元與人體足部接觸。為保證人體在測試過 程中自然、舒適的狀態，傳感器單元必須輕薄和柔軟。另外，為了準確地反映足底指定位置 的壓力分布，傳感器單元的表面積不能過大。但是，可穿戴的柔性傳感器單元由于自身材料 和結構的限制，在測試柔性材料所受到的動態壓力(如足底和鞋墊間的壓力)時，將帶來 信噪比低、對信號響應滯后等問題，影響系統對壓力信號響應的穩定性和測試的準確性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有多層感芯結構的動態足底壓力測試 鞋墊，克服PVDF壓電薄膜傳感器作為感芯結構所產生的上述問題，嵌入多層感芯結構薄膜 傳感器單元的鞋墊可用于人體步行、跑步、跳躍等任意頻率的動態測試，且可以與日常穿著 的鞋類結合，方便使用。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種具有多層感芯結構的動態 足底壓力測試鞋墊，包括鞋墊、信號調理單元、數據采集單元和信號顯示單元，所述的鞋墊 中嵌入感芯結構薄膜傳感器單元；所述的感芯結構薄膜傳感器單元由至少兩層PVDF壓電 薄膜上下疊加而成；所述的感芯結構薄膜傳感器單元與鞋墊接觸面之間有一層硬質合成材 料薄膜；所述的感芯結構薄膜傳感器單元與依次串聯的信號調理單元、數據采集單元和信 號顯示單元相連。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的感芯結構薄膜傳感單元將 采集到的足底壓力信號轉換為電荷信號傳輸給信號調理單元；所述的信號調理單元將收到 的電荷信號轉換為電壓信號傳輸給數據采集單元；所述的數據采集單元將收到的電壓信號 傳輸給信號顯示單元。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的信號調理單元由積分放大 電路和低通濾波電路串聯而成，信號先進入所述的積分放大電路再進入所述的低通濾波電 路。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的多層感芯結構薄膜傳感器 單元分布在所述的鞋墊上部左側、上部右側、中部左側、中部右側、下部左側和下部右側。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的硬質合成材料薄膜為硬質 PVC膜、硬質PE膜或硬質PET膜。有益效果由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效 果(1)單個傳感單元的有效面積較小，可以提高測試足底壓力分布的分辨率。所采用 的多層PVDF壓電薄膜感芯結構，實現了在不改變傳感單元表面積的情況下提高輸出信號 的強度。(2)在多層感芯結構薄膜傳感器單元的PVDF壓電薄膜與襯底鞋墊間嵌入硬質的 合成材料薄膜作為間隔材料，以阻隔動態頻率響應差的鞋墊材料對壓電薄膜信號產生的影 響，降低因柔性鞋墊材料的彈性蠕變所帶來的信號滯后性。(3)傳感器后續調理電路由積分放大電路與低通濾波電路構成。該電路所需元 件少、體積和質量較小，且積分放大效果可通過電路元件進行調節。主要元件包括積分放 大器0P07，反饋電容C和反饋電阻R，測試電壓范圍0 10V，電路測試的下限截止頻率約 0. 16Hz。在積分放大電路后加入的低通濾波電路，避免了測試中高頻噪聲信號的影響。綜上所述，本發明采用多層感芯結構和間隔材料膜的設計，提高了 PVDF壓電薄膜 傳感器的信噪比，改善了足底壓力測試系統對動態信號響應的滯后性。本系統測試頻率寬， 適應于人體不同步頻運動狀態下的足底壓力分布的測試。與此同時本發明可穿戴性好，鞋 墊柔軟、可彎曲，且材料輕、薄，人體穿著舒適。本發明不僅可綁于足底進行裸足壓力測試， 也可以放入日常穿著的各種鞋類中進行測試，可為人體步態的生物力學分析以及鞋類舒適 性評價提供依據。
圖1足底壓力分布測試鞋墊系統示意圖，
圖中，1鞋墊，2信號調理單元，3數據采集單元，4信號顯示單元，5感芯結構薄膜傳 感器單元；圖2是信號調理單元電路圖；
圖3是傳感點足底(右腳)分布示意圖，圖中，6為第一跖骨，7為第二跖骨，8為足中內側，9為足中外側，10為足跟內側，足 跟外側；圖4是嵌入多層感芯結構薄膜傳感器的傳感鞋墊示意圖；圖5是系統對1. 5Hz動態信號的響應圖；最大壓力F = 50N,頻率 f = 1. 5Hz ；圖6是系統對5. OHz頻率動態信號的響應圖；最大壓力F = 200N,頻率 f = 5. OHz ；圖7是人體行走時足底動態壓力分布實測波形圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人 員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。本發明的實施方式涉及一種具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，如圖1 所示，包括鞋墊1、信號調理單元2、數據采集單元3和信號顯示單元4，所述的鞋墊1中嵌入 感芯結構薄膜傳感器單元5 ；所述的感芯結構薄膜傳感器單元5由至少兩層PVDF壓電薄膜 上下疊加而成；所述的感芯結構薄膜傳感器單元5與所述的鞋墊1接觸面之間有一層硬質 合成材料薄膜；所述的感芯結構薄膜傳感器單元5與依次串聯的信號調理單元2、數據采集 單元3和信號顯示單元4相連。所述的感芯結構薄膜傳感器單元5將采集到的足底壓力信 號轉換為電荷信號傳輸給信號調理單元2 ；所述的信號調理單元2將收到的電荷信號轉換 為電壓信號傳輸給數據采集單元3 ；所述的數據采集單元3將收到的電壓信號傳輸給信號 顯示單元4。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的信號調理單元2由積分放 大電路和低通濾波電路串聯而成，信號先通過積分放大電路再通過低通濾波電路。如圖2 所示，所述的積分電路所需元件少、體積和質量較小，且積分放大效果可通過電路元件進行 調節。主要元件包括積分放大器0P07，反饋電容C和反饋電阻R，測試電壓范圍0 10V，電 路測試的下限截止頻率約0. 16Hz。在積分放大電路后加入的低通濾波電路，避免了測試中 高頻噪聲信號的影響。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的多層感芯結構薄膜傳感器 單元5分布在所述的鞋墊1上部左側、上部右側、中部左側、中部右側、下部左側和下部右 側。如圖3所示，以右腳為例，鞋墊1上部左側對應于第一跖骨6，上部右側對應于第二跖骨 7,中部左側對應于足中內側8，中部右側對應于足中外側9，下部左側對應于足跟內側10， 下部右側對應于足跟外側11。由于多層PVDF壓電薄膜組成的感芯結構薄膜傳感器單元分 布于鞋墊各個位置，對應于足底的各個相應位置，可實時地給出PVDF壓電薄膜處的足底壓力信號。所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊的硬質合成材料薄膜為硬質 PVC膜、硬質PE膜或硬質PET膜^本發明的核心為具有測試動態足底壓力分布的傳感鞋墊，如圖4所示，它由至少 兩層PVDF壓電薄膜上下疊加而成，組成多層感芯結構薄膜傳感器單元，嵌入到鞋墊中的若 干個位置上。在感芯結構薄膜傳感器單元和鞋墊接 觸面之間嵌入硬質合成材料薄膜，避免 了感芯結構薄膜傳感器單元對動態信號響應的滯后性。當壓力施加于PVDF壓電薄膜表面 時，每一層的PVDF壓電薄膜同時將壓力信號轉換為電荷信號輸出。下面結合實施例進一步來說明本發明。實施例1采用3層PVDF壓電薄膜組成的感芯結構薄膜傳感器單元，在薄膜和鞋墊間嵌入硬 質PVC膜。在低頻、低壓力作用力下，即模擬人體緩慢行走的狀態，此時測試系統對較小頻 率和壓力的動態信號的響應。測試樣品嵌入PVDF壓電薄膜組成的感芯結構薄膜傳感器單元的鞋墊，單一傳感 單元。測試儀器:MTS動態拉伸儀，配置模擬人體足底材料的接觸壓腳。測試條件信號頻率為1. 5Hz，施加壓力為50N。測試結果如圖5所示。在低頻、低壓力作用下，系統輸出信號波形穩定。由于采 用了 3層PVDF壓電薄膜，傳感器在較弱壓力作用下仍表現出較強的頻率響應，信號峰值達 到80mV，信噪比大于25dB，有效電壓峰值特征顯著。表明系統在足底較低壓力部位仍能采 集到可識別的有效信號。實施例2采用2層PVDF壓電薄膜組成的感芯結構薄膜傳感器單元，在薄膜和鞋墊間嵌入硬 質PE膜。在高頻、高壓力作用下，即模擬人體足部高速運動，此時測試系統對足底動態信號 的采集的頻率響應。測試樣品嵌入PVDF壓電薄膜組成的感芯結構薄膜傳感器單元的鞋墊，單一傳感 單元。測試儀器:MTS動態拉伸儀，配置模擬人體足底材料的接觸壓腳。測試條件信號頻率為5. OHz，施加壓力為200N。測試結果如圖6所示。在高頻、高壓力作用下，系統輸出信號波形穩定，頻率響應 特征顯著，信號變異系數在5. 0%以下，且滯后性得到改善。表明系統對較高頻率足底壓力 信號響應的穩定性，嵌入2層感芯結構PVDF壓電薄膜傳感器單元的鞋墊適合于測試人體在 任意步頻下的足底壓力分布。實施例3系統在正常穿著條件下的足底壓力分布測試，通過鞋墊多個傳感單元所采集到的 壓力信號可對人體步行時的足底壓力分布進行描述。測試樣品嵌入6枚具有5層PVDF壓電薄膜組成的感芯結構薄膜傳感器單元的鞋 墊，在每枚薄膜傳感器單元和鞋墊間嵌入硬質PET膜。測試條件測試在室內進行，嵌入5層感芯結構PVDF壓電薄膜傳感器的鞋墊放置在平底運動鞋中穿著，信號調理單元固定于測試者腿部，步頻約2. OHz0測試結果如圖7所示。在正常穿著條件下，系統工作穩定，所獲得的信號響應頻率與實際步頻吻合，足底各點信號特征顯著，所得到的動態足底壓力分布形態具有代表性。 通過記錄同一個體正常步行、相同步頻下的多組足底壓力信號，對最大足底壓力峰值進行 統計，可得到系統的測量精度，即相對百分誤差達2. 3%，滿足足底壓力分布測量產品的技 術要求。不難發現，本發明采用多層感芯結構和間隔材料膜的設計，提高了 PVDF壓電薄膜 傳感器的信噪比，改善了足底壓力測試系統對動態信號響應的滯后性。本系統測試頻率寬， 適應于人體不同步頻運動狀態下的足底壓力分布的測試。與此同時本發明可穿戴性好，鞋 墊柔軟、可彎曲，且材料輕、薄，人體穿著舒適。本發明不僅可綁于足底進行裸足壓力測試， 也可以放入日常穿著的各種鞋類中進行測試，可為人體步態的生物力學分析以及鞋類舒適 性評價提供依據。
權利要求
一種具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，包括鞋墊(1)、信號調理單元(2)、數據采集單元(3)和信號顯示單元(4)，其特征是所述的鞋墊(1)中嵌入感芯結構薄膜傳感器單元(5)；所述的感芯結構薄膜傳感器單元(5)由至少兩層聚偏氟乙烯薄膜上下疊加而成；所述的感芯結構薄膜傳感器單元(5)與所述的鞋墊(1)接觸面之間有一層硬質合成材料薄膜；所述的感芯結構薄膜傳感器單元(5)與依次串聯的信號調理單元(2)、數據采集單元(3)和信號顯示單元(4)相連。
2.根據權利要求1所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，其特征是所 述的感芯結構薄膜傳感器單元(5)將采集到的足底壓力信號轉換為電荷信號傳輸給信號 調理單元(2)；所述的信號調理單元(2)將收到的電荷信號轉換為電壓信號傳輸給數據采 集單元(3)；所述的數據采集單元(3)將收到的電壓信號傳輸給信號顯示單元(4)。
3.根據權利要求1或2所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，其特征是 所述的信號調理單元(2)由積分放大電路和低通濾波電路串聯而成，信號先進入所述的積 分放大電路再進入所述的低通濾波電路。
4.根據權利要求1所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，其特征是所 述的多層感芯結構薄膜傳感器單元(5)分布在所述的鞋墊(1)上部左側、上部右側、中部左 側、中部右側、下部左側和下部右側。
5.根據權利要求1所述的具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，其特征是所 述的硬質合成材料薄膜為硬質PVC膜、硬質PE膜或硬質PET膜。
全文摘要
本發明涉及一種具有多層感芯結構的動態足底壓力測試鞋墊，包括鞋墊，信號調理單元，數據采集單元和信號顯示單元，所述的鞋墊中嵌入感芯結構薄膜傳感器單元；所述的感芯結構薄膜傳感器單元由至少兩層聚偏氟乙烯薄膜上下疊加而成，且在其與鞋墊接觸面之間嵌入硬質合成材料薄膜；所述的鞋墊中的感芯結構薄膜傳感器單元與依次串聯的信號調理單元、數據采集單元和信號顯示單元相連。本發明采用多層感芯結構和間隔材料膜的設計，提高了PVDF壓電薄膜傳感器的信噪比，改善了測試鞋墊對動態信號相應的滯后性；本發明可以放入日常穿著的各種鞋類中進行測試，可為人體步態的生物力學分析以及鞋類舒適性評價提供依據。
文檔編號G01L1/16GK101828794SQ200910262368
公開日2010年9月15日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者丁辛, 李毓陵, 楊旭東, 王璐, 甘以明, 金曼 申請人:東華大學