基于PVDF的足部压力信息采集研究*

潘　奇　万　舟　李　琨　李懿洋

(昆明理工大学信息工程与自动化学院　昆明　650000)



基于PVDF的足部压力信息采集研究*

潘奇万舟李琨李懿洋

(昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650000)

摘要如何在减小运动损伤的同时提高训练成绩和技术水平,已日益成为排球运动专项训练设计的关注焦点。基于此,论文拟提出一种基于PVDF传感器的排球运动员足部压力信息采集系统。论文设计了基于足部解剖学的PVDF压电传感器阵列以及信号调理电路,使用USB7360AF多功能数据采集卡实时处理数据。实际测试结果表明,该系统稳定灵敏实用,能够为排球教学及训练的科研提供技术支持。

关键词排球运动; 足部压力; PVDF; 压电传感器

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

排球运动起源于1895年的美国,发展至今,已成为世界上最受欢迎的运动之一[1]。随着现代排球运动竞技水平的持续提高,各种运动性损伤也逐渐增多,其中足部损伤最为严重。据国内外统计研究表明,排球运动员的足部损伤主要由于其足部长期受到较大压力冲击而引起的慢性疲劳性损伤或者应力性疲劳性损伤[2]。这些损伤会妨碍运动员技术水平的提高及发挥,甚至会缩短其运动寿命。因此,有必要对排球运动员的足部进行全方位的压力信息采集,从而定量揭示排球运动员跑、跳、蹬等环节的足部生物力学特征和动力学规律[3],为专项训练的制定提供科学依据,从而最大限度地减小运动损伤,更有效地提高运动员的技术水平。

当前专门针对排球运动员整个足部压力信息采集的研究还很少[4],基于此,本文阐述了一种基于PVDF压电传感器的足部压力分布信息采集的系统设计方案。该系统的设计利用了PVDF压电薄膜在受到压力时将产生电信号这一特点,制作了38×2(双脚)个PVDF压电传感器,并组成传感器阵列布置于整个运动鞋的内表面。这些传感器实时采集到的足部各方位的压力信号经过信号调理电路调理放大后,将由数据采集卡进行实时处理,再通过USB端口与计算机相连,运用数据采集卡附带的软件便可以对所有数据进行实时显示。经测试表明,该系统能够实时准确地采集排球运动员整个足部的静态和动态压力分布信息,且具有稳定灵敏、成本低廉、简单实用的优点。

2PVDF压电薄膜传感原理

将PVDF薄膜极化后,整个薄膜便具有了压电性[7],即:薄膜在承受一定方向的压力时会在上下两个极化面产生大小相等、方向相反的电荷。如果将受压时的PVDF薄膜理想化为电容器模型,其输出电荷与外力间的关系为[8~9]

Qi=dijFj

(1)

qi=dijσj

(2)

式中:i=1,2,3,j=1,2,…,6;Qi为薄膜总输出电荷;dij为薄膜的压电应变常数矩阵;Fj为薄膜承受的压力;qi为薄膜单位面积输出的电荷;σj为薄膜承受的应力。

当两个极板聚集了一定的电荷后,极板间便产生了一定的电压[10],则有:

Ua=Q/Ca

(3)

Ca=ε0εrA/t

(4)

式中:Ua为薄膜两个极化面间的电压(V);Q为薄膜上的总电荷量(C);Ca为薄膜两个极化面间的等效电容(F);ε0为真空介电常数;εr为高分子介电常数;A为薄膜面积(m2);t为薄膜厚度(m)。

3PVDF传感器的制作

制作一个基于PVDF压电薄膜的传感器需要经历:外形设计、结构加工和粘贴工艺这三个流程。图1为PVDF压电传感器的结构设计图。本文设计的系统一共需要38×2(双脚)个这样的传感器。

外形设计。经过反复实验发现圆形结构的传感器最能满足各方面的要求,所以将悬臂梁、PVDF薄膜和基座衬底都设计为圆形。

结构加工。悬臂梁选用PV膜,基座衬底选用1mm厚的导电硅胶片。PV膜和导电硅胶片非常容易切割,用φ=10mm的圆柱形模具直接冲压即可。

粘贴工艺。考虑到各种材料之间的附着力以及不同的胶水在常温下的固化时间长短等因素,选用导电银胶作为粘贴剂。

图1　PVDF压电传感器的结构设计图

4传感器阵列

为了获得运动员在进行排球运动中的整个足部的压力分布信息,根据人体足部解剖学将足部分为足底部分和其它部分,并分别设计了两个部分的传感器阵列安置方案。

足底部分。足底支撑着排球运动员的大部分重量,并调节着其运动时的身体平衡。足底压力的个体差异来自:性别、年龄、身高、体重、脚型、运动鞋、足部病变、在排球比赛中运动员所处的位置、排球运动中的专项动作等等。采集足底压力的分布可以获取排球运动员下肢乃至全身的生理、结构以及功能等方面的大量信息。将采集足底压力分布信息的传感器阵列镶嵌于鞋垫内。每支鞋垫需要15个传感器,分别对应15个人体足部解剖学[7]的关键点。如图2所示,以右脚为例,传感器1对应足跟后侧,传感器2对应脚跟内侧,传感器3对应足跟外侧,传感器4、5对应脚中部,传感器6~10对应第5~第1拓骨,传感器11~15对应第5~第1趾骨;正电极从鞋垫上表面布线引出,负电极从鞋垫下表面布线引出,这样设计可以避免同一传感器的两极间产生电容效应,从而避免了不必要的干扰,提高了传感器的稳定性,确保了数据的精确性。

其他部分。到目前为止,国内外关于足底压力分布的研究已有多年的历史,但是对于排球运动,不论是发球、传球、垫球、扣球、吊球、拦网等基本技术,还是准备姿势或者移动脚步,运动员的足部都不可避免地要承受来自不同方位的压力。因此,只研究足底压力分布是远远不够的,必须针对整个足部来开展研究。根据人体足部解剖学,把足部的其他部分分为足背、足内侧和足外侧三个区域,在每一个区域中的关键点处都布置一个传感器并编上号。如图3所示,以右脚为例,16为外踝,17为趾短伸肌肌腹,18为趾长伸肌腱,19为内踝,20为距骨颈和距骨头内侧面,21为拇长伸肌腱,22为舟骨粗隆,23为第1跖骨头,24为拇展肌,25为第1跖骨底,26为内侧楔骨,27为跟腱,28为载距突,29为腓骨长、短肌腱,30为第5跖骨粗隆,31为小趾展肌,32为第5跖骨头,33为第一趾、34为第二趾、35为第上趾、36为第四趾、37为第五趾、38为足跟后部。传感器阵列的镶嵌位置和正负电极的布线如图4所示。

图2　足底传感器阵列设计图

图3　足背、足内侧和足外侧解剖关键点分布图

图4　足背、足内侧和足外侧传感器阵列设计图

5信号调理电路

PVDF压电传感器具有很高的内阻抗,它输出的电荷信号非常微弱,很容易被干扰,受到各种噪声的影响[4]。如果要在排球训练或者比赛中进行数据采集,干扰将更加严重。因此,传感器阵列在排球运动员足部实时采集到的信号必须经过信号调理电路进行阻抗匹配、信号放大和滤波处理,这样才能保证采集到的是真实、可靠、精确的数据。

设计的信号调理电路包括两个部分:滤波放大电路和工频陷波电路,核心元件为CA3140、OP07和LM358芯片,供电电源为±5V或者+5V(USB接口供电即可)。

滤波放大电路。如图5所示,滤波放大电路的设计共分三级。第一级为前置放大器,把高阻抗输入转换成低阻抗输出,把微弱的电荷信号转换成放大的电压信号。第二级为带增益的低通滤波器,把夹杂在信号中的高频噪声、低电平噪声以及外部的峰值噪声滤掉。第三级为宽带的带通滤波器,把输出信号的幅值调整到合适的范围(0~+5V),从而满足数据采集电路的输入要求。

图5　滤波放大电路设计图

工频陷波电路。如图6所示,陷波电路的设计采用的是“双T型”结构,即:通过对称的电容和电阻来实现带阻滤波的功能,把市电50Hz的工频干扰信号滤掉。在“双T型”带阻电路的后面我们又设计了一个正反馈放大电路(LM358),目的在于减小阻带宽度,使阻带中心频率附近两边的幅值增大。

图6　工频陷波电路设计图

6数据采集电路

考虑到本系统需要实时处理38×2(双脚)路信号,数据量大,同时为了尽可能地降低研发成本,数据采集电路直接采用由实验室配备的USB7360AF多功能数据采集卡,该数据采集卡由北京中泰研创科技有限公司开发并生产。

信号调理电路处理后的信号通过USB2.0接口送至上位PC机,并存入指定的数据库。本系统的软件由USB7360AF多功能数据采集卡附带,主要完成数据采集卡与上位PC机之间的通信,软件的操作界面如图7所示。数据采集方式是程序通过调用动态链接库Usb7kC.dll来实现,而Usb7kC.dll中所有函数的参数均通过结构体ZT_USBBOARD来传递[4]。

图7　数据采集卡和上位PC机的通信界面截图

7系统测试

本系统是基于PVDF压电传感器、信号调理电路、数据采集电路、USB2.0接口和PC机设计而成的排球运动员足部压力信息采集系统,其构建方案如图8所示。

图8　系统构建图

1) 准静态测试

利用砝码对传感器进行加载,测试传感器的电信号输出。砝码从无到有,从轻到重地进行加载,测试3次并将系统采集到的数据绘制成图。如图9所示,横坐标表示砝码的质量(Kg),纵坐标表示电压强度(V)。测试表明,传感器的输入与输出之间呈现一定的线性关系,与PVDF准静态应变传感特性[11]相符。

2) 动态测试

随机选取了昆明理工大学2013级本科选修公共体育排球课的两名学生作为数据采集对象,对本系统进行动态测试。两名学生各自完成排球运动中常见的慢跑移动和蹬地起跳两个动作。同时利用USB7360AF多功能数据采集卡附带的软件实时显示波形图的变化情况。图10表明,相同动作体重较重者的足部压力比体重较轻者大;相同学生蹬地起跳时的足部压力比慢跑移动时大;蹬地起跳时第1拓骨(足底)的压力大于足跟后侧的压力,足跟后侧压力大于拇展肌(足内侧)的压力。测试结果均符合预期。

图9　准静态测试数据的线性关系图

图10　动态测试的波形比较图

8结语

现代排球运动的竞争越来越激烈,其发展必须借助科学技术的帮助。为了在不断提高运动员训练成绩和技术水平的同时,最大限度地减小运动损伤,排球运动的教学设计必须以科学的理论依据为指导,而科学的理论依据必须以精确的数据采集为前提。本文阐述了一种排球运动员足部压力信息采集系统的设计方案。经过测试,该系统不仅信号灵敏、运行稳定、重复性好、抗干扰能力强、曲线效果良好、信号处理实时,并且制作成本低廉、安装使用简便。运用该系统能够准确地采集排球运动员整个足部的静态和动态压力分布信息,从而为研究排球运动员跑、跳、蹬等环节的足部生物力学特征和动力学规律提供数据支撑,为设计排球教学的专项训练提供科学依据。

参 考 文 献

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中图分类号TP216.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.023

作者简介:潘奇,男,硕士研究生,研究方向:新型传感器技术。万舟,男,硕士,副教授,研究方向:有机材料PVDF力学传感器研究;特殊传感器的研究;生产过程自动化系统研究。李琨,男,博士,副教授,研究方向:复杂系统演变预测研究;控制理论与方法。李懿洋,男,硕士,研究方向:新型传感器技术。

基金项目:国家质检总局科技计划项目(编号:2013QK104);云南省质量技术监督局科技计划项目(编号:2013ynzjkj02)资助。.

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月28日.