費文昌　陳慰來

摘要：基于Flexiforce傳感器開發(fā)一種新型的服裝壓力測試系統(tǒng)。通過加載1 V的驅動電壓和100 kΩ的參考電阻，并測量輸出電壓對Flexiforce傳感器與MCP6004四通道精密運算放大電路進行數據的校準。結果表明：在傳感器所受到的壓力載荷在量程范圍內，Flexiforce傳感器與放大電路的校準數據具有很高的準確度；輸出電壓與傳感器所受載重為線性擬合關系，其中擬合曲線決定系數R2為0.987 65；傳感器的電阻與所受載荷為非線性的反比例擬合關系，擬合曲線和實際測量數據曲線具有良好的吻合程度，因此服裝壓力測試系統(tǒng)具有很高的可行性。

關鍵詞：Flexiforce傳感器；服裝壓力；數據校準；輸出電壓；載荷；擬合曲線

中圖分類號：TS103.6

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）05-0076-05

Abstract：A newtype clothing pressure testing device was developed on the basis of Flexiforce sensor. Data calibration was carried out by loading 1V drive voltage and 100 kΩ reference resistor and measuring the output voltage of the Flexiforce sensor and the MCP6004 fourchannel precision opamp circuit. The results show that the calibrated data of the Flexiforce sensor and amplifier is of high accuracy as long as the pressure load on the sensor is within the range limit； the output voltage has linear fitting relationship with the load on the sensor， of which determination coefficient R2 of the fitting curve is 0.987 65；the resistance of the sensor has nonlinear inverse fitting relationship with the load thereon. The fitting curve highly coincides with the measured data curve. Thus， the clothing pressure testing system is of high feasibility.

Key words：Flexiforce sensor； clothing pressure； data calibration； output voltage； load； fitting curve

人們對于服裝壓力帶有消極的看法，一直認為服裝壓力會對人體產生不良的影響，并由此都偏好極其寬松的服裝。但實際上適當的服裝壓力對于生理健康具有積極的作用，服裝壓力是服裝行業(yè)的一個重要研究課題，適度的服裝壓力對維護人體的健康、提高生活質量有重要意義[1]。在一定的服裝壓力下，人體的靜脈血液循環(huán)明顯加快，褪黑激素明顯增加?，F階段，對于人體服裝壓力也越來越多的應用到運動、醫(yī)療等各個不同的領域。在適合的服裝壓力下，人體在運動過程中能極大的減輕疲勞、增強生理機能，滿足心理和生理上舒適的需要，在一定壓力緊度的醫(yī)用繃帶，不但有助于傷口的平穩(wěn)愈合，并且可以緩解因傷而留下的傷疤；一定壓力梯度的襪子，可以有效的防止靜脈曲張，更好促使腳部血液回流至心臟。其中運動狀態(tài)時皮膚受壓值為最大，其變化也為最大，因而對生理指標的影響最為顯著，適當的服裝壓力可以增強人體運動活力，改善運動心理狀態(tài)[2]。但過度的壓力，特別是當頸部受壓超過1.2 kPa時，會對人體的心率和血壓造成不良的影響，人體各項指標也會明顯下降。不同體形的人的不同部位以及人在不同狀態(tài)下對舒適服裝壓力的要求也各不相同[3]。

人體在穿上服裝以后，就會產生一定的服裝壓力，這種服裝壓力可以分為兩種形式，一種是由于服裝自身重量，而產生的對于人體的壓力；另一種是由于服裝在穿著的過程中由于與人體形態(tài)尺寸的差異而產生的形變而產生的對人體的壓力。在大多數情況下，特別是針織服裝，由服裝自身重量而產生的對人體的壓力往往很小，從而忽略不計，主要研究因服裝的彈性形變而對于人體的服裝壓力。服裝壓力的客觀測量法包括直接測量法和間接測量法[4]，傳統(tǒng)客觀測量服裝壓力的方法是先直接測量人體各個部位的服裝壓力值然后比較人體各部位服裝壓力與服裝款式及尺寸之間的對應關系，這些方法雖然能夠得到一些人體各部位壓力與服裝款式及尺寸結構之間的某種對應關系，但精確度并不高，并不能準確的描述人體與服裝間存在的多方面復雜關系[5]。現階段服裝壓力分布與預測的發(fā)展趨勢和方向大概分為服裝壓力分布預測模型和三維模擬顯示、服裝動態(tài)壓力舒適性的研究、服裝機能與人體機能有機結合等方面進行[6]。本文主要基于壓敏半導體材料Flexiforce為壓力測量傳感器來進行新型的服裝壓力測試系統(tǒng)的開發(fā)，并通過對服裝壓力的實時快速準確的測量為服裝壓力分布與預測提供更加科學和合理的理論依據。

1服裝壓力客觀測量方法綜述

服裝壓力測試包括兩種方向，一種是客觀測試，主要依靠傳感器等儀器設備進行客觀測試并得到客觀數值的服裝壓力值；另一種是主觀測試，主要是依靠人為的心理和生理感受來主觀判斷服裝壓力的大小松緊舒適程度。服裝壓力的快速、精確客觀測量，是研究服裝壓力大小對人體各項生理指標影響的基礎，也是人體服裝壓力研究最為重要的部分。

1.1流體壓力測量方法

流體測量法是最直接也是最為簡單的測量方法。如圖1，其中橡膠球為感應服裝壓力的感應裝置，測量時將橡膠球放入需要測量的部位，橡膠球與皮膚的接觸面積大概為20 cm2，由于橡膠球的壓力變化，所以只需讀取玻璃管內水銀柱高度的變化就可以得到所受壓力的變化。橡膠球在不受力時，水銀高度剛剛好指向零刻度線，所以只需要讀取水銀柱最終指向的刻度就可以得到皮膚所受的服裝壓力值。這種服裝壓力的測試方法直觀，原理簡單，成本相對低廉，儀器結構較為簡單，但是測量過程中，由于橡膠球里面的空氣容易受到溫度的影響從而影響測量的真實結果，所以最終測量數據真實性有待考量，測量的部位也有一定的要求，這種流體測量裝置對于膝蓋、肘部等特殊部位無法進行測量，并且無法在人體運動是測量。

1.2彈力光纖壓力測量方法

彈力光纖測試系統(tǒng)主要是利用彈力光纖在外部壓力的作用下，使裝置的外射光線的數量相對的進行減少，通過光電二極管將減少的外射光線相對應的變?yōu)殡娦盘?，這樣成功的將外部的壓力轉變?yōu)榱穗娦盘?，且外部壓力與電信號的線性相關度高，如圖2。此測量裝置主要采用氦氖激光發(fā)生器來產生光源，由于光線的單色性好，且電信號的強度用電子伏特計數，彈力光纖的外力大小可通過測量逸出的關系數量來獲得[7]。所以此測試方法測量的靈敏度和準確度很高，此裝置可以很好的與計算機系統(tǒng)相結合，可以連續(xù)的動態(tài)測量，適合服裝壓力的測試，但是裝置成本較高。

1.3電阻壓力測量方法

電阻壓力測量方法主要是利用電阻應變片在一定壓力的作用下，應變片的電阻會發(fā)生規(guī)律性的變化，通過將電阻的變化轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩玫较鄳乃艿降姆b壓力值。壓力的變化與電阻的變化線性相關度高。該測量裝置體積小，重量輕，測量精度高，測試結果非常穩(wěn)定，特別是現有的柔性織物應變片壓力電阻傳感器具有非常穩(wěn)定的測量準度。但測量成本較高，本文所用測量傳感器Flexiforce也是一種柔性電阻式傳感器。

2采用Flexiforce傳感器的新型服裝壓力的測量裝備

2.1Flexiforce壓力傳感器

Flexiforce是美國Tekscan公司研制的壓力傳感器，傳感器主要是將壓力信號可以通過傳感器電阻值的相關變化來進行捕捉。Flexiforce是一種超薄柔性電阻式壓力傳感器，由于其有類似于織物般柔軟和紙張般厚度，可彎曲性能很好，所以在很多的環(huán)境中可以用來測量壓力的大小，與其他傳統(tǒng)的服裝壓力分布測試相比，Flexiforce壓力傳感器厚度小，韌度好，Flexiforce有很好的壓力與電阻的線性相關性能[8]。傳感器的有效傳感區(qū)域為直徑為9.53 mm的圓，Flexiforce壓力傳感器是由兩層襯底組成，襯底采用聚酯纖維薄膜制作，里面主要采用對壓力敏感的墨水作為壓力感應裝置，用銀做導電材料。Flexiforce傳感器尾端共有3個接頭，只有兩邊的輸出線是可以工作的。Flexiforce傳感器的用途很廣，包括醫(yī)療用測試牙齒咬合力，老人監(jiān)護報警系統(tǒng)等；在工業(yè)上也運用很廣泛，包括拖車剎車系統(tǒng)監(jiān)控，電腦芯片和自動化生產等等可以廣泛的監(jiān)控壓力或者受力情況。Flexiforce的量程不同，功能也不相同，本文所用服裝壓力測量系統(tǒng)所用型號為Sensor A201，其量程為0～4.4 N。其中傳感器的規(guī)格如表1所示。

2.2新型服裝壓力測試的工作原理

由于本文主要利用Flexiforce壓力傳感器測量人體的服裝壓力，所用傳感器量程為0～4.4 N，即最大的量程為4.4 N，傳感器在不受外力的作用下，其電阻為5 MΩ以上，在滿量程4.4 N的外力作用下，電阻的單位也是MΩ級別。在如此大的電阻下，傳感器無法直接進行A/D轉換，數據無法得到準確的處理，并且數據的精度不高，因此，必須使用放大電路對模擬電信號進行放大。本文所用放大器為MCP6004四通道精密運算放大電路，傳感器與放大電路圖的連接圖如下圖3所示。

圖3中，Rs是Flexiforce傳感器的可變電阻，電阻隨著傳感器所受外界的壓力的變化而變化。VT為1 V的驅動電壓。RF是參考電阻，可以改變其電阻大小，可對應改變壓力測試系統(tǒng)的靈敏度。MCP 6004為四通道精密運算放大電路，其驅動電壓為5V。該電路圖基于傳感器電阻和固定參考電阻使用反向運算放大器裝置來產生模擬輸出。其中：Vout=VT*（RF/RS），由此也可知，VoutVT=RFRS，即輸出電壓與驅動電壓之間的比值等于參考電阻與傳感器電阻之間的比值。由于驅動電壓與參考電阻為測量變量，可以調節(jié)參考電阻和驅動電壓來調節(jié)傳感器的靈敏度。

2.3數據校準及測試

在此測量系統(tǒng)中，為了保證電路的線性度和數據的準確度，需要對測試的電路進行校準和電路的靜態(tài)標定。通過對傳感器反復循環(huán)加載重量不超過量程的標準砝碼，并通過測量Vout，得到Flexiforce傳感器相應的電阻值，驗證測量系統(tǒng)的準確性。測量數據如表2所示，其中，當傳感器不加載電阻時，傳感器的電阻大于5 MΩ，測試時不考慮傳感器在不加載電阻的情況。Vout用數字萬用表進行測量，其中參考電壓RF的電阻值越大，此處采用100 kΩ的參考電壓。

2.4數據采集與處理

輸出電壓模擬信號的采集與處理主要通過A/D轉換器與單片機來完成，數據采集的核心器件是A/D轉換器[9]，本系統(tǒng)主要采用美國國家半導體公司生產的8位分辨率、雙通道ADC0832型號A/D轉換芯片。ADC0832轉換器具有較好的采樣率、分辨率和精度，為雙數據輸出，并作為數據的檢驗，轉換速度快，且準確率較高。輸出電壓模擬信號經過A/D轉換器后轉變?yōu)閿底中盘枺诮泦纹瑱C處理后變可將輸出電壓變?yōu)閭鞲衅鞯妮d重即服裝壓力值。本系統(tǒng)主要采用可編程可擦除只讀存儲的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器AT89C51型單片機。AT89C51型單片機一共有40個引腳，單片機主要是通過串行接口與外部設備進行數據的通信，串行通信接口簡單，所需要的傳輸線少，且適合遠程通信。單片機主要采用I2C總線，I2C總線可以之間和具有I2C接口的單片機進行通信，也可以和各種類型的外圍設備器件進行通訊。I2C采用兩線制，包括數據線SAD和時鐘線SCL構成，最后測量數據在LED上顯示。

3結語

本文主要基于Flexiforce壓力傳感器設計并開發(fā)出的一種新型的服裝壓力測試裝置，Flexiforce壓力傳感器一種超薄柔性電阻式壓力傳感器，彎曲性能好，適用于各個部位的服裝壓力測量。通過對Flexiforce壓力傳感器加載一定梯度的載荷，并測量Flexiforce傳感器與放大電路的輸出電壓來校準壓力測試裝置的穩(wěn)定性和準確度。結果表明，在傳感器所受到的壓力載荷在量程范圍內，Flexiforce傳感器與放大電路的校準數據具有很高的準確度，服裝壓力測試裝置具有良好的可行性。該服裝壓力測試裝置與傳統(tǒng)的服裝壓力測試裝置相比具有更好的可操作性和成本優(yōu)勢，可通過對人體各個部位服裝壓力更加快速和準確的客觀測量，可為人體各個部位服裝壓力的分布與預測提供更加科學和合理的理論依據，也可為服裝壓力的舒適性研究提供可靠的技術支持。

參考文獻：

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（責任編輯：陳和榜）