潘　奇　萬　舟　李　琨　李懿洋

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)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(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院昆明650000)

摘要如何在減小運(yùn)動(dòng)損傷的同時(shí)提高訓(xùn)練成績和技術(shù)水平,已日益成為排球運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)訓(xùn)練設(shè)計(jì)的關(guān)注焦點(diǎn)?；诖?論文擬提出一種基于PVDF傳感器的排球運(yùn)動(dòng)員足部壓力信息采集系統(tǒng)。論文設(shè)計(jì)了基于足部解剖學(xué)的PVDF壓電傳感器陣列以及信號調(diào)理電路,使用USB7360AF多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。實(shí)際測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定靈敏實(shí)用,能夠?yàn)榕徘蚪虒W(xué)及訓(xùn)練的科研提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞排球運(yùn)動(dòng); 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(yùn)動(dòng)起源于1895年的美國,發(fā)展至今,已成為世界上最受歡迎的運(yùn)動(dòng)之一[1]。隨著現(xiàn)代排球運(yùn)動(dòng)競技水平的持續(xù)提高,各種運(yùn)動(dòng)性損傷也逐漸增多,其中足部損傷最為嚴(yán)重。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)研究表明,排球運(yùn)動(dòng)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(yīng)力性疲勞性損傷[2]。這些損傷會妨礙運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平的提高及發(fā)揮,甚至?xí)s短其運(yùn)動(dòng)壽命。因此,有必要對排球運(yùn)動(dòng)員的足部進(jìn)行全方位的壓力信息采集,從而定量揭示排球運(yùn)動(dòng)員跑、跳、蹬等環(huán)節(jié)的足部生物力學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)規(guī)律[3],為專項(xiàng)訓(xùn)練的制定提供科學(xué)依據(jù),從而最大限度地減小運(yùn)動(dòng)損傷,更有效地提高運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平。

當(dāng)前專門針對排球運(yùn)動(dòng)員整個(gè)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用了PVDF壓電薄膜在受到壓力時(shí)將產(chǎn)生電信號這一特點(diǎn),制作了38×2(雙腳)個(gè)PVDF壓電傳感器,并組成傳感器陣列布置于整個(gè)運(yùn)動(dòng)鞋的內(nèi)表面。這些傳感器實(shí)時(shí)采集到的足部各方位的壓力信號經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理放大后,將由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,再通過USB端口與計(jì)算機(jī)相連,運(yùn)用數(shù)據(jù)采集卡附帶的軟件便可以對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)測試表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采集排球運(yùn)動(dòng)員整個(gè)足部的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力分布信息,且具有穩(wěn)定靈敏、成本低廉、簡單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。

2PVDF壓電薄膜傳感原理

將PVDF薄膜極化后,整個(gè)薄膜便具有了壓電性[7],即:薄膜在承受一定方向的壓力時(shí)會在上下兩個(gè)極化面產(chǎn)生大小相等、方向相反的電荷。如果將受壓時(shí)的PVDF薄膜理想化為電容器模型,其輸出電荷與外力間的關(guān)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(yīng)變常數(shù)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(yīng)力。

當(dāng)兩個(gè)極板聚集了一定的電荷后,極板間便產(chǎn)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(gè)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(gè)極化面間的等效電容(F);ε0為真空介電常數(shù);εr為高分子介電常數(shù);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(gè)基于PVDF壓電薄膜的傳感器需要經(jīng)歷:外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)加工和粘貼工藝這三個(gè)流程。圖1為PVDF壓電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)一共需要38×2(雙腳)個(gè)這樣的傳感器。

外形設(shè)計(jì)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圓形結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)為圓形。

結(jié)構(gòu)加工。懸臂梁選用PV膜,基座襯底選用1mm厚的導(dǎo)電硅膠片。PV膜和導(dǎo)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?？紤]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(shí)間長短等因素,選用導(dǎo)電銀膠作為粘貼劑。

圖1　PVDF壓電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4傳感器陣列

為了獲得運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行排球運(yùn)動(dòng)中的整個(gè)足部的壓力分布信息,根據(jù)人體足部解剖學(xué)將足部分為足底部分和其它部分,并分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)部分的傳感器陣列安置方案。

足底部分。足底支撐著排球運(yùn)動(dòng)員的大部分重量,并調(diào)節(jié)著其運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體平衡。足底壓力的個(gè)體差異來自:性別、年齡、身高、體重、腳型、運(yùn)動(dòng)鞋、足部病變、在排球比賽中運(yùn)動(dòng)員所處的位置、排球運(yùn)動(dòng)中的專項(xiàng)動(dòng)作等等。采集足底壓力的分布可以獲取排球運(yùn)動(dòng)員下肢乃至全身的生理、結(jié)構(gòu)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(nèi)。每支鞋墊需要15個(gè)傳感器,分別對應(yīng)15個(gè)人體足部解剖學(xué)[7]的關(guān)鍵點(diǎn)。如圖2所示,以右腳為例,傳感器1對應(yīng)足跟后側(cè),傳感器2對應(yīng)腳跟內(nèi)側(cè),傳感器3對應(yīng)足跟外側(cè),傳感器4、5對應(yīng)腳中部,傳感器6~10對應(yīng)第5~第1拓骨,傳感器11~15對應(yīng)第5~第1趾骨;正電極從鞋墊上表面布線引出,負(fù)電極從鞋墊下表面布線引出,這樣設(shè)計(jì)可以避免同一傳感器的兩極間產(chǎn)生電容效應(yīng),從而避免了不必要的干擾,提高了傳感器的穩(wěn)定性,確保了數(shù)據(jù)的精確性。

其他部分。到目前為止,國內(nèi)外關(guān)于足底壓力分布的研究已有多年的歷史,但是對于排球運(yùn)動(dòng),不論是發(fā)球、傳球、墊球、扣球、吊球、攔網(wǎng)等基本技術(shù),還是準(zhǔn)備姿勢或者移動(dòng)腳步,運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須針對整個(gè)足部來開展研究。根據(jù)人體足部解剖學(xué),把足部的其他部分分為足背、足內(nèi)側(cè)和足外側(cè)三個(gè)區(qū)域,在每一個(gè)區(qū)域中的關(guān)鍵點(diǎn)處都布置一個(gè)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(nèi)踝,20為距骨頸和距骨頭內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)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(fù)電極的布線如圖4所示。

圖2　足底傳感器陣列設(shè)計(jì)圖

圖3　足背、足內(nèi)側(cè)和足外側(cè)解剖關(guān)鍵點(diǎn)分布圖

圖4　足背、足內(nèi)側(cè)和足外側(cè)傳感器陣列設(shè)計(jì)圖

5信號調(diào)理電路

PVDF壓電傳感器具有很高的內(nèi)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(xùn)練或者比賽中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,干擾將更加嚴(yán)重。因此,傳感器陣列在排球運(yùn)動(dòng)員足部實(shí)時(shí)采集到的信號必須經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)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(shí)、可靠、精確的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路包括兩個(gè)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(shè)計(jì)共分三級。第一級為前置放大器,把高阻抗輸入轉(zhuǎn)換成低阻抗輸出,把微弱的電荷信號轉(zhuǎn)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(diào)整到合適的范圍(0~+5V),從而滿足數(shù)據(jù)采集電路的輸入要求。

圖5　濾波放大電路設(shè)計(jì)圖

工頻陷波電路。如圖6所示,陷波電路的設(shè)計(jì)采用的是“雙T型”結(jié)構(gòu),即:通過對稱的電容和電阻來實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)了一個(gè)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(shè)計(jì)圖

6數(shù)據(jù)采集電路

考慮到本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理38×2(雙腳)路信號,數(shù)據(jù)量大,同時(shí)為了盡可能地降低研發(fā)成本,數(shù)據(jù)采集電路直接采用由實(shí)驗(yàn)室配備的USB7360AF多功能數(shù)據(jù)采集卡,該數(shù)據(jù)采集卡由北京中泰研創(chuàng)科技有限公司開發(fā)并生產(chǎn)。

信號調(diào)理電路處理后的信號通過USB2.0接口送至上位PC機(jī),并存入指定的數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)的軟件由USB7360AF多功能數(shù)據(jù)采集卡附帶,主要完成數(shù)據(jù)采集卡與上位PC機(jī)之間的通信,軟件的操作界面如圖7所示。數(shù)據(jù)采集方式是程序通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫Usb7kC.dll來實(shí)現(xiàn),而Usb7kC.dll中所有函數(shù)的參數(shù)均通過結(jié)構(gòu)體ZT_USBBOARD來傳遞[4]。

圖7　數(shù)據(jù)采集卡和上位PC機(jī)的通信界面截圖

7系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)是基于PVDF壓電傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、USB2.0接口和PC機(jī)設(shè)計(jì)而成的排球運(yùn)動(dòng)員足部壓力信息采集系統(tǒng),其構(gòu)建方案如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)構(gòu)建圖

1) 準(zhǔn)靜態(tài)測試

利用砝碼對傳感器進(jìn)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(jìn)行加載,測試3次并將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)繪制成圖。如圖9所示,橫坐標(biāo)表示砝碼的質(zhì)量(Kg),縱坐標(biāo)表示電壓強(qiáng)度(V)。測試表明,傳感器的輸入與輸出之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系,與PVDF準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變傳感特性[11]相符。

2) 動(dòng)態(tài)測試

隨機(jī)選取了昆明理工大學(xué)2013級本科選修公共體育排球課的兩名學(xué)生作為數(shù)據(jù)采集對象,對本系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試。兩名學(xué)生各自完成排球運(yùn)動(dòng)中常見的慢跑移動(dòng)和蹬地起跳兩個(gè)動(dòng)作。同時(shí)利用USB7360AF多功能數(shù)據(jù)采集卡附帶的軟件實(shí)時(shí)顯示波形圖的變化情況。圖10表明,相同動(dòng)作體重較重者的足部壓力比體重較輕者大;相同學(xué)生蹬地起跳時(shí)的足部壓力比慢跑移動(dòng)時(shí)大;蹬地起跳時(shí)第1拓骨(足底)的壓力大于足跟后側(cè)的壓力,足跟后側(cè)壓力大于拇展肌(足內(nèi)側(cè))的壓力。測試結(jié)果均符合預(yù)期。

圖9　準(zhǔn)靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的線性關(guān)系圖

圖10　動(dòng)態(tài)測試的波形比較圖

8結(jié)語

現(xiàn)代排球運(yùn)動(dòng)的競爭越來越激烈,其發(fā)展必須借助科學(xué)技術(shù)的幫助。為了在不斷提高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練成績和技術(shù)水平的同時(shí),最大限度地減小運(yùn)動(dòng)損傷,排球運(yùn)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)必須以科學(xué)的理論依據(jù)為指導(dǎo),而科學(xué)的理論依據(jù)必須以精確的數(shù)據(jù)采集為前提。本文闡述了一種排球運(yùn)動(dòng)員足部壓力信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過測試,該系統(tǒng)不僅信號靈敏、運(yùn)行穩(wěn)定、重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)、曲線效果良好、信號處理實(shí)時(shí),并且制作成本低廉、安裝使用簡便。運(yùn)用該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集排球運(yùn)動(dòng)員整個(gè)足部的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力分布信息,從而為研究排球運(yùn)動(dòng)員跑、跳、蹬等環(huán)節(jié)的足部生物力學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐,為設(shè)計(jì)排球教學(xué)的專項(xiàng)訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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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(shù)。萬舟,男,碩士,副教授,研究方向:有機(jī)材料PVDF力學(xué)傳感器研究;特殊傳感器的研究;生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)研究。李琨,男,博士,副教授,研究方向:復(fù)雜系統(tǒng)演變預(yù)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(shù)。

基金項(xiàng)目:國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號:2013QK104);云南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)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.