基于PVDF的足部壓力信息采集研究*

潘　奇　萬　舟　李　琨　李懿洋

(昆明理工大學信息工程與自動化學院　昆明　650000)

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基于PVDF的足部壓力信息采集研究*

潘奇萬舟李琨李懿洋

(昆明理工大學信息工程與自動化學院昆明650000)

摘要如何在減小運動損傷的同時提高訓練成績和技術水平,已日益成為排球運動專項訓練設計的關注焦點。基于此,論文擬提出一種基于PVDF傳感器的排球運動員足部壓力信息采集系統。論文設計了基于足部解剖學的PVDF壓電傳感器陣列以及信號調理電路,使用USB7360AF多功能數據采集卡實時處理數據。實際測試結果表明,該系統穩定靈敏實用,能夠為排球教學及訓練的科研提供技術支持。

關鍵詞排球運動; 足部壓力; PVDF; 壓電傳感器

Foot Pressure Information Collection Based on PVDF

PAN QiWAN ZhouLI KunLI Yiyang

(School of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming650000)

AbstractHow to reduce sports injuries and improve training results and technical level in the same time has increasingly become the focus of special training designed for volleyball. Based on this, an attempt is made to propose a foot pressure information collection system of volleyball players based on PVDF sensor. A PVDF piezoelectric sensor array which is based on the foot anatomy and signal conditioning circuit is designed in this paper, and USB7360AF data acquisition card is used to process data in real time. The practical test results show that the system is stable and sensitive, and can provide technical support for the research of volleyball teaching and training.

Key Wordsvolleyball, foot pressure, PVDF, piezoelectric sensor

Class NumberTP216.1

1引言

排球運動起源于1895年的美國,發展至今,已成為世界上最受歡迎的運動之一[1]。隨著現代排球運動競技水平的持續提高,各種運動性損傷也逐漸增多,其中足部損傷最為嚴重。據國內外統計研究表明,排球運動員的足部損傷主要由于其足部長期受到較大壓力沖擊而引起的慢性疲勞性損傷或者應力性疲勞性損傷[2]。這些損傷會妨礙運動員技術水平的提高及發揮,甚至會縮短其運動壽命。因此,有必要對排球運動員的足部進行全方位的壓力信息采集,從而定量揭示排球運動員跑、跳、蹬等環節的足部生物力學特征和動力學規律[3],為專項訓練的制定提供科學依據,從而最大限度地減小運動損傷,更有效地提高運動員的技術水平。

當前專門針對排球運動員整個足部壓力信息采集的研究還很少[4],基于此,本文闡述了一種基于PVDF壓電傳感器的足部壓力分布信息采集的系統設計方案。該系統的設計利用了PVDF壓電薄膜在受到壓力時將產生電信號這一特點,制作了38×2(雙腳)個PVDF壓電傳感器,并組成傳感器陣列布置于整個運動鞋的內表面。這些傳感器實時采集到的足部各方位的壓力信號經過信號調理電路調理放大后,將由數據采集卡進行實時處理,再通過USB端口與計算機相連,運用數據采集卡附帶的軟件便可以對所有數據進行實時顯示。經測試表明,該系統能夠實時準確地采集排球運動員整個足部的靜態和動態壓力分布信息,且具有穩定靈敏、成本低廉、簡單實用的優點。

2PVDF壓電薄膜傳感原理

將PVDF薄膜極化后,整個薄膜便具有了壓電性[7],即:薄膜在承受一定方向的壓力時會在上下兩個極化面產生大小相等、方向相反的電荷。如果將受壓時的PVDF薄膜理想化為電容器模型,其輸出電荷與外力間的關系為[8~9]

Qi=dijFj

(1)

qi=dijσj

(2)

式中:i=1,2,3,j=1,2,…,6;Qi為薄膜總輸出電荷;dij為薄膜的壓電應變常數矩陣;Fj為薄膜承受的壓力;qi為薄膜單位面積輸出的電荷;σj為薄膜承受的應力。

當兩個極板聚集了一定的電荷后,極板間便產生了一定的電壓[10],則有:

Ua=Q/Ca

(3)

Ca=ε0εrA/t

(4)

式中:Ua為薄膜兩個極化面間的電壓(V);Q為薄膜上的總電荷量(C);Ca為薄膜兩個極化面間的等效電容(F);ε0為真空介電常數;εr為高分子介電常數;A為薄膜面積(m2);t為薄膜厚度(m)。

3PVDF傳感器的制作

制作一個基于PVDF壓電薄膜的傳感器需要經歷:外形設計、結構加工和粘貼工藝這三個流程。圖1為PVDF壓電傳感器的結構設計圖。本文設計的系統一共需要38×2(雙腳)個這樣的傳感器。

外形設計。經過反復實驗發現圓形結構的傳感器最能滿足各方面的要求,所以將懸臂梁、PVDF薄膜和基座襯底都設計為圓形。

結構加工。懸臂梁選用PV膜,基座襯底選用1mm厚的導電硅膠片。PV膜和導電硅膠片非常容易切割,用φ=10mm的圓柱形模具直接沖壓即可。

粘貼工藝。考慮到各種材料之間的附著力以及不同的膠水在常溫下的固化時間長短等因素,選用導電銀膠作為粘貼劑。

圖1　PVDF壓電傳感器的結構設計圖

4傳感器陣列

為了獲得運動員在進行排球運動中的整個足部的壓力分布信息,根據人體足部解剖學將足部分為足底部分和其它部分,并分別設計了兩個部分的傳感器陣列安置方案。

足底部分。足底支撐著排球運動員的大部分重量,并調節著其運動時的身體平衡。足底壓力的個體差異來自:性別、年齡、身高、體重、腳型、運動鞋、足部病變、在排球比賽中運動員所處的位置、排球運動中的專項動作等等。采集足底壓力的分布可以獲取排球運動員下肢乃至全身的生理、結構以及功能等方面的大量信息。將采集足底壓力分布信息的傳感器陣列鑲嵌于鞋墊內。每支鞋墊需要15個傳感器,分別對應15個人體足部解剖學[7]的關鍵點。如圖2所示,以右腳為例,傳感器1對應足跟后側,傳感器2對應腳跟內側,傳感器3對應足跟外側,傳感器4、5對應腳中部,傳感器6~10對應第5~第1拓骨,傳感器11~15對應第5~第1趾骨;正電極從鞋墊上表面布線引出,負電極從鞋墊下表面布線引出,這樣設計可以避免同一傳感器的兩極間產生電容效應,從而避免了不必要的干擾,提高了傳感器的穩定性,確保了數據的精確性。

其他部分。到目前為止,國內外關于足底壓力分布的研究已有多年的歷史,但是對于排球運動,不論是發球、傳球、墊球、扣球、吊球、攔網等基本技術,還是準備姿勢或者移動腳步,運動員的足部都不可避免地要承受來自不同方位的壓力。因此,只研究足底壓力分布是遠遠不夠的,必須針對整個足部來開展研究。根據人體足部解剖學,把足部的其他部分分為足背、足內側和足外側三個區域,在每一個區域中的關鍵點處都布置一個傳感器并編上號。如圖3所示,以右腳為例,16為外踝,17為趾短伸肌肌腹,18為趾長伸肌腱,19為內踝,20為距骨頸和距骨頭內側面,21為拇長伸肌腱,22為舟骨粗隆,23為第1跖骨頭,24為拇展肌,25為第1跖骨底,26為內側楔骨,27為跟腱,28為載距突,29為腓骨長、短肌腱,30為第5跖骨粗隆,31為小趾展肌,32為第5跖骨頭,33為第一趾、34為第二趾、35為第上趾、36為第四趾、37為第五趾、38為足跟后部。傳感器陣列的鑲嵌位置和正負電極的布線如圖4所示。

圖2　足底傳感器陣列設計圖

圖3　足背、足內側和足外側解剖關鍵點分布圖

圖4　足背、足內側和足外側傳感器陣列設計圖

5信號調理電路

PVDF壓電傳感器具有很高的內阻抗,它輸出的電荷信號非常微弱,很容易被干擾,受到各種噪聲的影響[4]。如果要在排球訓練或者比賽中進行數據采集,干擾將更加嚴重。因此,傳感器陣列在排球運動員足部實時采集到的信號必須經過信號調理電路進行阻抗匹配、信號放大和濾波處理,這樣才能保證采集到的是真實、可靠、精確的數據。

設計的信號調理電路包括兩個部分:濾波放大電路和工頻陷波電路,核心元件為CA3140、OP07和LM358芯片,供電電源為±5V或者+5V(USB接口供電即可)。

濾波放大電路。如圖5所示,濾波放大電路的設計共分三級。第一級為前置放大器,把高阻抗輸入轉換成低阻抗輸出,把微弱的電荷信號轉換成放大的電壓信號。第二級為帶增益的低通濾波器,把夾雜在信號中的高頻噪聲、低電平噪聲以及外部的峰值噪聲濾掉。第三級為寬帶的帶通濾波器,把輸出信號的幅值調整到合適的范圍(0~+5V),從而滿足數據采集電路的輸入要求。

圖5　濾波放大電路設計圖

工頻陷波電路。如圖6所示,陷波電路的設計采用的是“雙T型”結構,即:通過對稱的電容和電阻來實現帶阻濾波的功能,把市電50Hz的工頻干擾信號濾掉。在“雙T型”帶阻電路的后面我們又設計了一個正反饋放大電路(LM358),目的在于減小阻帶寬度,使阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大。

圖6　工頻陷波電路設計圖

6數據采集電路

考慮到本系統需要實時處理38×2(雙腳)路信號,數據量大,同時為了盡可能地降低研發成本,數據采集電路直接采用由實驗室配備的USB7360AF多功能數據采集卡,該數據采集卡由北京中泰研創科技有限公司開發并生產。

信號調理電路處理后的信號通過USB2.0接口送至上位PC機,并存入指定的數據庫。本系統的軟件由USB7360AF多功能數據采集卡附帶,主要完成數據采集卡與上位PC機之間的通信,軟件的操作界面如圖7所示。數據采集方式是程序通過調用動態鏈接庫Usb7kC.dll來實現,而Usb7kC.dll中所有函數的參數均通過結構體ZT_USBBOARD來傳遞[4]。

圖7　數據采集卡和上位PC機的通信界面截圖

7系統測試

本系統是基于PVDF壓電傳感器、信號調理電路、數據采集電路、USB2.0接口和PC機設計而成的排球運動員足部壓力信息采集系統,其構建方案如圖8所示。

圖8　系統構建圖

1) 準靜態測試

利用砝碼對傳感器進行加載,測試傳感器的電信號輸出。砝碼從無到有,從輕到重地進行加載,測試3次并將系統采集到的數據繪制成圖。如圖9所示,橫坐標表示砝碼的質量(Kg),縱坐標表示電壓強度(V)。測試表明,傳感器的輸入與輸出之間呈現一定的線性關系,與PVDF準靜態應變傳感特性[11]相符。

2) 動態測試

隨機選取了昆明理工大學2013級本科選修公共體育排球課的兩名學生作為數據采集對象,對本系統進行動態測試。兩名學生各自完成排球運動中常見的慢跑移動和蹬地起跳兩個動作。同時利用USB7360AF多功能數據采集卡附帶的軟件實時顯示波形圖的變化情況。圖10表明,相同動作體重較重者的足部壓力比體重較輕者大;相同學生蹬地起跳時的足部壓力比慢跑移動時大;蹬地起跳時第1拓骨(足底)的壓力大于足跟后側的壓力,足跟后側壓力大于拇展肌(足內側)的壓力。測試結果均符合預期。

圖9　準靜態測試數據的線性關系圖

圖10　動態測試的波形比較圖

8結語

現代排球運動的競爭越來越激烈,其發展必須借助科學技術的幫助。為了在不斷提高運動員訓練成績和技術水平的同時,最大限度地減小運動損傷,排球運動的教學設計必須以科學的理論依據為指導,而科學的理論依據必須以精確的數據采集為前提。本文闡述了一種排球運動員足部壓力信息采集系統的設計方案。經過測試,該系統不僅信號靈敏、運行穩定、重復性好、抗干擾能力強、曲線效果良好、信號處理實時,并且制作成本低廉、安裝使用簡便。運用該系統能夠準確地采集排球運動員整個足部的靜態和動態壓力分布信息,從而為研究排球運動員跑、跳、蹬等環節的足部生物力學特征和動力學規律提供數據支撐,為設計排球教學的專項訓練提供科學依據。

參 考 文 獻

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中圖分類號TP216.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.023

作者簡介:潘奇,男,碩士研究生,研究方向:新型傳感器技術。萬舟,男,碩士,副教授,研究方向:有機材料PVDF力學傳感器研究;特殊傳感器的研究;生產過程自動化系統研究。李琨,男,博士,副教授,研究方向:復雜系統演變預測研究;控制理論與方法。李懿洋,男,碩士,研究方向:新型傳感器技術。

基金項目:國家質檢總局科技計劃項目(編號:2013QK104);云南省質量技術監督局科技計劃項目(編號:2013ynzjkj02)資助。.

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月28日.