基于柔性薄膜傳感器的服裝壓力檢測儀研制

劉 杰， 高 志

(華東理工大學 機械與動力工程學院， 上海 200237)

近年來，靜脈曲張襪、運動護具等壓力服裝受到眾多消費者青睞，在醫療保健和體育運動等方面表現出很大的開發價值。目前，壓力服已廣泛應用于醫學領域，對于治療淋巴腫大、增生性燒傷疤痕、靜脈曲張、骨折及血液循環紊亂等疾病發揮出巨大作用[1]。在體育運動方面，適度的服裝壓力對人體具有保護作用，且能提高運動效果。例如：緊身護腿和胸衣可減少肌肉振動，緩解運動疲勞[2]；舉重運動員的束緊腰帶可防止腰椎脊柱損傷，提供額外支撐力提高運動成績[3]。服裝壓力是評價舒適性和治療效果的重要指標之一[4]。當人體承受過大的服裝壓力時，著裝者會產生疲勞感甚至可能發生血液循環受阻、呼吸加快、消化不良以及內臟變形、移位等病態反應，嚴重的甚至危及人體生命安全[5]。當服裝壓力過小時又會影響美觀，增加運動阻力，達不到所需效果[6]，因此，對于服裝壓力的測量顯得尤為重要。

服裝壓力的客觀測量方法主要依靠傳感器等儀器設備進行測試并得到服裝壓力值[7]。服裝業發達的西方國家于20世紀初便致力于服裝壓力測試傳感器的研究，目前國內外常見的服裝壓力測試傳感器主要包括：流體氣囊式傳感器、應變片式傳感器、壓敏半導體傳感器和彈性光纖傳感器等[8]。流體氣囊式傳感器主要包括美國AMI公司的AMI3037系列壓力測試系統，該系統使用20 cm2大小的橡膠氣囊置于待測部位進行測量，氣囊內壓縮空氣受壓后通過細管進入壓力指示器，通過讀取測量點與大氣壓力差從而獲取測量點壓力。但氣囊本身的形狀會使人體與壓力服之間的接觸狀態發生變化，測量誤差較大，無法測量膝蓋、肘部等特殊部位[9]。應變片式傳感器基于惠斯通電橋原理，利用電阻應變片受壓形變導致電阻的規律性變化，將電路中電阻變化轉變為電信號的變化，從而得到相應測量點的服裝壓力值；應變片式傳感器易受服裝面料、人體曲率和人體表面壓縮硬度的影響，且自身不易彎曲，難以進行精確測量[10]。壓敏半導體傳感器由薄膜襯底封裝柔性半導體材料制成，通過捕捉半導體材料受壓后電阻的變化從而獲得測量點服裝壓力的數值。Flexiforce傳感器是由美國Tekscan公司研制的壓敏半導體傳感器，其厚度只有0.208 mm，相比于應變片式傳感器的彎曲性能好，測量精度高，但對曲率半徑敏感，不適合進行動態測量，且配套系統成本較高[11]。彈性光纖傳感器主要利用氦氖激光發生器產生光源，彈力光纖在壓力作用下外射光線的數量會相對減少，通過光電二極管將減少的外射光線轉變為電信號，從而建立壓力與電信號之間的映射關系，這種測量方法具有很高的靈敏度和準確度，且可連續地進行動態測量，但裝置成本太高，幾乎無法批量生產。此外，王金鳳等[12]設計了一種導電緯編針織物柔性傳感器，將鍍銀錦綸紗以局部添紗的形式編織到無縫內衣中，通過傳感器電阻與拉伸張力的關系以及穿著前后電阻的變化，確定無縫內衣對人體的壓力，但無法靈活測量任意點的壓力值。張宇[13]提出使用具有壓電性能的聚偏氟乙烯(PVDF)復合材料制成服裝壓力傳感器，該傳感器具有柔軟、牢固、耐腐蝕的優點，但目前只發現傳感器輸出電壓與服裝壓力成正比，無法精確測量服裝壓力的數值。

現存的服裝壓力檢測系統大都通過線纜連接傳感器，在運動中有牽絆，對于動態測量存在不便和誤差，且動態測量成本較高。目前，服裝壓力檢測傳感器正向提高定點壓力檢測精度、輕量化無線傳感器和動態服裝壓力檢測等趨勢發展，未來將服裝壓力的檢測與人工智能、物聯網等新技術進行結合，將會為服裝壓力檢測技術帶來更大發展潛力。

針對目前服裝壓力檢測傳感器存在的與人體貼合性差、測量誤差大、成本高等問題，考慮最大程度減小傳感器本身引起的壓力服變形，降低傳感器受人體曲率的影響，本文設計了一款以聚氯乙烯(PVC)作為柔性基體，包覆導電纖維的柔性傳感器。一方面，柔性薄膜傳感器可適應絕大多數人體曲率的變化情況，與人體緊密貼合，大大降低傳感器本身對測量結果的影響，相比于流體氣囊式傳感器和應變片式傳感器，提高了檢測精度；另一方面，以PVC作為傳感器的柔性基體，與半導體、彈性光纖等材料相比成本較低，提高了該傳感器量產和推廣的可能性。在此基礎上，開發了一臺由可編程邏輯控制器(PLC)控制的氣動觸點式服裝壓力檢測儀，通過氣室和柔性氣管構建氣動回路，氣室連通多個傳感器，可同時完成服裝壓力的多點精確測量。

1 柔性薄膜傳感器的開發

圖1示出本文制備的柔性薄膜傳感器。

圖1 柔性薄膜傳感器Fig.1 Flexible film sensor. (a) Front of sensing detection belt; (b) Back of sensing detection belt; (c) Physical map of flexible film sensor

為使傳感器在檢測時能很好地適應人體的各種曲率變化，采用柔軟的PVC材料制成柔性薄膜傳感檢測帶。檢測帶的上下2片柔性薄膜經超聲波焊接制成袋狀結構，其開口端與接頭密封連接，制成氣密性強的柔性氣帶，保證了檢測系統的精度。薄膜內表面印刷了導電性能良好的柔性電路，PVC材料具有良好的保護膜黏性，使得印刷的柔性電路不易損壞。將柔性傳感檢測帶放置于人體與壓力服之間，可很好地與人體貼合，減少因傳感器自身形狀引起的壓力服變形、測量點偏移等問題，保障測量結果的精確度。

圖2示出柔性薄膜傳感檢測帶電路原理圖。傳感檢測帶正面含有1個觸點，背面為2根引線，分別與PLC輸入端的0 V觸點和輸入繼電器X1連接(輸入繼電器X1與PLC輸入端的24 V觸點相連)，當其置于人體與壓力服之間，由于受壓使觸點閉合，電路接通。檢測帶開口端接頭伸出細長氣管與氣室連通，氣室起緩沖與穩壓作用。工作過程中由氣泵不斷向氣室內鼓氣，當觸點氣壓達到壓力服與人體之間的壓力值時，觸點斷開，通過PLC獲取通斷信號并記錄此刻氣室內的壓力值，因此，觸點斷開的時刻檢測帶內的氣壓等于壓力服作用于人體該點處的壓力。氣室最多可接出6條傳感檢測帶，6條檢測帶均可單獨測量，工作期間不互相影響，可同時對多物體進行多點壓力測量。

圖2 檢測帶電路示意圖Fig.2 Circuit schematic of sensing detection belt

2 技術方案與硬件設備選型

2.1 檢測系統的整體技術方案

基于自制的柔性薄膜傳感檢測帶，本文設計了一款新型服裝壓力檢測儀。該檢測儀旨在通過柔性薄膜傳感器，將服裝壓力轉換為緩沖氣室內的氣體壓力，進而實現對服裝壓力的精確測量。檢測儀由柔性薄膜壓力傳感器、PLC、A/D轉換模塊、觸摸屏、微型工業打印機、壓力變送器、緩沖氣室、氣泵、排氣閥等模塊組成，如圖3所示。

圖3 檢測系統總體結構框圖Fig.3 Overall detection system block diagram

按照功能可將檢測儀分為3個部分：柔性薄膜傳感器、氣動回路和控制系統。柔性薄膜傳感器置于人體與壓力服之間，用于壓力的直接測量。氣泵、緩沖氣室、排氣閥組成氣動回路，將人體與壓力服的壓力轉換成氣室內的壓力。PLC、A/D轉換模塊、壓力變送器等組成主控制系統，負責氣泵啟停、電壓檢測和氣壓的數模轉換。與其他服裝壓力檢測儀相比，該檢測儀還配有觸摸屏和微型工業打印機，可通過觸屏的方式對系統進行操作，實時監測各傳感檢測帶內氣壓的數值，觀察觸點斷開的情況，還可自動生成檢測點壓力數據表格并打印測量數值。

用戶通過觸摸屏人機界面進行檢測儀的操作，系統啟動后氣泵不斷向氣室內鼓氣，柔性薄膜傳感器與氣室連通，在充氣的過程中PLC記錄觸點的通斷信號，壓力變送器將觸點斷開時刻的電壓值傳送到PLC的A/D轉換模塊，轉換后得到的壓力值儲存在PLC內，最終顯示在設備的觸摸屏上，用戶可自行選擇是否通過微型工業打印機打印輸出數據。

2.2 檢測儀的硬件設備選型

2.2.1 壓力變送器的選型和信號測量

由于柔性薄膜傳感檢測帶與氣室連通，在穩定狀態下，氣室的壓強與傳感檢測帶測量點處服裝壓強相同，因此，采用壓力變送器直接測量氣室壓強，并將測量模擬信號傳送至PLC。研究表明，人體著裝感到舒適的服裝壓強范圍為1.96～3.92 kPa，不舒適的臨界值服裝壓強為5.88～9.81 kPa[14]。本文選擇北京星儀傳感器技術有限公司CYYZ11型壓力變送器，其量程為0～10 kPa，輸出電壓范圍為1～5 V，穩定性能為±0.1% FS/a， 溫度漂移為±0.01% FS/℃。其中：FS表示滿程；FS/a和FS/℃分別表示滿量程下的精度波動范圍和溫度波動范圍。該傳感器具有響應速度快、穩定性強、測量精度高等優點。

由于PLC只能處理數字信號，因此，采用FX2N-2A/D進行電壓信號的A/D轉換，再通過PLC基本單元的FROM/TO指令寫入PLC的數據寄存器內。FX2N-2A/D是12位分辨率的模數轉換模塊，含有CH1和CH2 2個通道，每個通道都有電流輸入端和電壓輸入端。其輸入端為直流輸入且量程可調，可通過調節模塊上的增益電位器和偏移電位器實現量程范圍的調整，出廠時量程為0～10 V對應的A/D轉換值為0～4 000。根據人體承壓的極限值選擇壓力服檢測系統的測壓范圍為0～10 kPa， A/D 轉換后再通過比例和數值運算將壓力變送器輸出的1～5 V電壓信號，最終轉化為0～10 kPa 范圍內對應的壓強值。在接線上選用CH1通道，將壓力變送器的信號線與A/D轉換模塊通道電壓正極相連，壓力變送器的電源負極與A/D轉換模塊通道電壓負極相連，A/D轉換模塊通過擴展電纜與PLC右端擴展模塊連接。

2.2.2 PLC的選型與控制

為保證檢測系統的穩定性，選擇日本三菱集團FX3U-32 MT/ES-A型PLC作為壓力服檢測系統主控制部分的核心，其為晶體管漏型輸出PLC，共32個外部繼電器(16輸入/16輸出)，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時和算術運算等操作的指令，通過數字化的輸入和輸出來控制檢測系統的工作過程。該PLC內置64 K大容量RAM存儲器，可方便測量數據的直接存儲。相比于繼電器輸出型，晶體管漏形輸出的響應速度快，壽命更長，相比于繼電器和單片機控制而言，PLC的集成度更高，避免了使用大量活動元件和連接電子元件，且PLC的穩定性和擴展性更強，使壓力服檢測系統結構更簡單，靈活度和可靠性更強。

在檢測系統中，PLC負責控制各部件的啟動與停止，接收傳感檢測帶觸點的通斷信號，并存儲每個測量點斷開時氣室內的壓強值。如第1節所述，PLC的輸入繼電器X1～X6可連接6根傳感檢測帶，用于檢測觸點通斷信號。以X1為例，當PLC工作時，輸入繼電器的公共端與PLC自帶的24 V電源正極相連。在壓力狀態下檢測帶反面的觸點與正面電路貼合，電路導通，此時X1處于高電平狀態；隨著檢測帶內氣壓升高到服裝壓力的臨界值時觸點分開，對應測量點為斷路，此時X1變為低電平狀態。同理，其他傳感檢測帶的信號電纜分別與PLC輸入繼電器X2～X6連接，PLC可通過檢測X1～X6的高/低電平狀態判斷測量點是否斷開，記錄斷開時刻壓力變送器檢測到的氣室內的壓強值，即為壓力服在檢測點作用在人體的壓強值。此外，還調用了PLC內部輔助繼電器控制氣泵、排氣閥和打印機的啟動和停止。

2.2.3 觸摸屏的選型和顯示

本文系統選用威綸通科技有限公司MT6071iE系列觸摸屏作為顯示模塊，用戶可通過觸屏的形式對系統進行操作，且可實時監測氣室壓強和測量點通斷情況。該觸摸屏采用24 V直流電源供電，內置電源隔離，可有效抑制電源浪涌和異常電流，提高系統的穩定性，分辨率為800像素×480像素，顯示色彩為16 M，支持USB Host、USB Client、RS-232、RS-485 2W/4W等I/O串口通信，可通過RS-485 2W串口與PLC實時通信，通過編程可實現對PLC內部繼電器的調用和數據寄存器的讀取。

為最大程度上簡化系統操作，優化用戶體驗，采用EasyBuilder Pro軟件設計觸摸屏用戶界面。該軟件是一款圖形化上位機制作軟件，可直接在界面上添加開關、數值顯示模塊、指示燈等圖形元件實現對應的功能。通過RS-485 2W串口的連接，觸摸屏可與指定型號的PLC進行實時通信，利用觸摸屏界面上繪制功能元件實現PLC中對應繼電器的開關量控制、順序控制、邏輯控制和數據存儲器內數值的實時顯示，進而實現壓力服檢測系統的各項功能。

2.2.4 微型工業打印機的選型和輸出

在實際生活和生產檢測中，用戶往往希望記錄每次服裝壓力測量的數據，本文選用深圳煒煌打印機有限公司SP-RMDIIID型熱敏式微型打印機作為輸出打印設備，其尺寸為110 mm×57 mm×64 mm(長×寬×高)，適合嵌入安裝于設備機箱外表面；采用熱敏式點陣打印，節約打印成本，平均無故障行數達1.5×107，可靠性高。RMDIIID支持RS-232串口，與觸摸屏的通信線接口類型為IDC10針型插座和5PIN單排插座。在本文系統中，IDC10針型插座連接打印機的EIA電平，5PIN單排插座與觸摸屏COM1(RS232)的9針D型公座連接，其中5PIN單排插座的RXD、TXD和GND分別為3號、2號和 5號引腳，分別與觸摸屏COM1口3號(TXD)、2號(RXD) 和5號(GND)引腳相連，如圖4所示。

圖4 打印機與觸摸屏通信串口引腳Fig.4 Serial port pins for communication betweenprinter and touch screen. (a) Touch screen 9-pin D type plug; (b)Printer IDC 10-pin socket

由于SP-RMDIIID型熱敏式微型打印機具有漢字、字符、圖形等實時打印命令，指令集與傳統的打印機相兼容，因此，其在接收到PLC的指令后能夠直接執行觸摸屏EasyBuilder Pro軟件的“屏幕截取”功能，并以打印的形式輸出，具有操作簡單、成本低、穩定性好的優點。

3 服裝壓力檢測儀軟件程序設計

3.1 PLC控制流程

使用GX Works2軟件聯動觸摸屏用戶界面設計軟件EasyBuilder Pro進行系統的軟件程序設計，其中PLC的軟件設計流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program

系統通電后用戶可在觸摸屏上進行系統標定，包括軟元件、緩沖存儲器的置零，A/D轉換比例系數的預設等。當待測點全部接觸時，用戶按下觸摸屏上的啟動按鈕，氣泵開始工作，A/D轉換模塊不斷將采集的模擬量轉換為數字量并顯示在觸摸屏上。隨著檢測帶內氣壓的升高，各檢測點會相繼斷開，斷開的瞬間觸摸屏上對應觸點的指示燈被點亮，并在數顯元件中顯示該點的壓強值。當所有待測點都斷開或氣室壓強達到10 kPa時，關閉氣泵并打開排氣閥，排氣閥延時10 s后自動關閉。最終觸摸屏可自動生成測量數據表格，用戶可自行選擇是否打印數據，打印結束后打印機自動關閉。

3.2 觸摸屏用戶界面設計

MT6071iE系列觸摸屏用戶界面及打印界面如圖6、7所示。

圖6 觸摸屏用戶界面Fig.6 User interface of touch screen

圖7 觸摸屏打印界面Fig.7 Print interface of touch screen

界面左邊觸點1～6對應6根傳感檢測帶，充氣過程中某觸點斷開后，觸摸屏上對應編號的指示燈被點亮，并在后面的數值輸入元件中記錄此刻氣室壓強。界面右上“氣室壓強”會實時顯示氣室內壓強值，用戶還可通過點擊下方“復位”“排氣”“打印數據”等按鈕實現觸點壓強清零、排氣、數據表格生成和打印等功能。由于在設計用戶界面前選擇了適配的PLC型號，當觸摸屏與PLC由RS-485 2W通信線連接后，可直接訪問PLC的緩沖存儲器預設路徑地址讀取數據，因此，A/D轉換后存放在PLC中的數據可直接在MT6071iE系列觸摸屏的用戶界面上顯示出來。

4 實驗測試與分析

4.1 檢測系統標定

當CYYZ11型壓力變送器的量程校準至0～10 kPa 后，FX2N-2A/D模塊將壓力變送器實測電壓值轉化為0～4 000的數字量傳送儲存在PLC的緩沖存儲器中。為將數字量還原為壓強真實值并保證數據的精度，需要對檢測系統進行靜態標定實驗。向氣室充入不同壓強的氣體，利用觸摸屏記錄A/D轉化后的數字量。為提高精度，使用二次多項式進行數據擬合，曲線如圖8所示。

圖8 標定數據擬合曲線Fig.8 Calibration data fitting curve

得到A/D轉換數字量與氣壓之間的多項式擬合關系為

y=-3.245×10-8x2+0.002 699x+0.030 74

其中轉換數字量與氣壓之間的可決系數R=0.999 5， 說明擬合曲線與實測值擬合優度良好。

4.2 實驗測量與分析

氣動觸點式壓力服性能檢測儀實物圖如圖9所示。

圖9 壓力服性能檢測儀實物圖Fig.9 Product of pressure testing device for pressure garments

使用實驗室標準腿模和Cofoe二級壓力靜脈曲張襪進行重復性實驗，官方測量點為圖10(a)中的A、B、C、D、G點，其壓力值為3.067～4.266 kPa，現場測試如圖10(b)所示。

圖10 實驗測量示意圖Fig.10 Schematic diagram of experimental measurement. (a) Official measurement points; (b) Field test

分別將檢測帶置于腿模和壓力襪之間B、C、D、G點位置，同一位置連續進行6次測量，結果如表1所示。

表1 不同位置重復性測量數據Tab.1 Repeated measurements of different locations

測試結果顯示，在相同的條件下，6次重復性測量結果標準偏差小，最大標準偏差為0.088 5，數據離散程度小，其測量點數據也在產品官方檢測壓力范圍內，驗證了該檢測儀的精確度。

5 結 論

本文提出了一種新型的基于柔性薄膜傳感器的服裝壓力檢測方法，設計了一款基于可編程邏輯控制器(PLC)控制的氣動觸點式服裝壓力檢測儀，其解決了現存服裝壓力檢測傳感器難以與人體貼合、測量精度不高、成本高等問題，且具有觸摸屏人機操作界面、數據存儲和打印功能，集成度高，使用方便，推廣性強。該設備可精確完成多點服裝壓力的同時測量，可用于壓力服生產廠家的出廠檢測，同時也為服裝壓力舒適性研究提供了一種新型檢測手段。