CN210051460U - 一种修正温度影响的足底压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种修正温度影响的足底压力传感器，它包括信号采集部分和电路部分，信号采集部分自上而下依次设置的第一器件保护层、第一电极层、压电薄膜层、地电极层和第二器件保护层；所述第一电极层、压电薄膜层和地电极层组成压力检测单元，第一电极层作为温度检测单元；电路部分包括前端电路和后端电路；前端电路包括控制器，所述控制器的控制信号输出端与第一电极层的信号输入端相连；后端电路采用第一后端电路或第二后端电路之一。本实用新型能够同时测出压力和温度，从而对温度变化引起的压电常数变化进行修正，大大提高了传感器的准确度，弥补了现有产品的缺陷，适用于医疗设备技术领域。

Description

一种修正温度影响的足底压力传感器

技术领域

本实用新型属于医疗设备技术领域，用于检测足底的压力并进行修正，具体地说是一种修正温度影响的足底压力传感器。

背景技术

随着生活水平的提高，人体健康成为人们关注的重要问题。据生物全息理论，足部关联着人体的五脏六腑和各个器官，并有其相应的反射区，由此可见，足部与人体健康长寿存在着密切的关系。

人体足底压力的分布情况可以反映下肢的功能和身体姿态的变化。对足底各点压力参数进行测试和分析，可以获取人体在不同运动状态下的生理学和病理学参数，这对临床疾病诊断、术后效果评价、康复程度评估等研究均有重要的意义。

目前，压力传感器大多采用压电和压阻材料，其测量值受温度变化的影响较大。传统的鞋内压力传感器大多只能测量压力而无法对于足部温度的变化进行校正，导致了受温度影响大、准确度低的缺陷。

发明内容

本实用新型旨在提供一种修正温度影响的足底压力传感器，可以同时测量足底温度和压力变化，并对测得的结果进行修正。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种修正温度影响的足底压力传感器，它包括信号采集部分和电路部分；

一）信号采集部分

所述信号采集部分自上而下依次设置的第一器件保护层、第一电极层、压电薄膜层、地电极层和第二器件保护层；

所述第一电极层、压电薄膜层和地电极层组成压力检测单元，第一电极层作为温度检测单元；

二）电路部分

所述电路部分包括前端电路和后端电路；

所述前端电路包括控制器，所述控制器的控制信号输出端与第一电极层的信号输入端相连；

所述后端电路采用第一后端电路或第二后端电路之一，其中，

① 第一后端电路

所述第一后端电路包括依次串接的第一模数转换单元、第一中央处理器、通讯设备和上位机；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均与第一模数转换单元的信号输入端相连；

② 第二后端电路

所述第二后端电路包括依次串接的滤波单元、第二模数转换单元、第二中央处理器、通讯设备和上位机；滤波单元包括并联的低通滤波器和带通滤波器，第二模数转换单元包括并联的第一模数转换器和第二模数转换器；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均与滤波单元的信号输入端相连,所述低通滤波器的信号输出端通过第一模数转换器、带通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器分别连接第二中央处理器。

作为限定：所述第一电极层包括N（N≥1）个小电极；

所述前端电路还包括多路调制器；

所述控制器的控制信号输出端通过多路调制器与第一电极层包括的N个小电极的输入端相连；

所述第一后端电路还包括第一多路解调器；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均通过第一多路解调器与第一模数转换单元的信号输入端相连；

所述第二后端电路还包括第二多路解调器；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均通过第二多路解调器与滤波单元的信号输入端相连。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型能够同时测出压力和温度，从而对温度变化引起的压电常数变化进行修正，大大提高了传感器的准确度，弥补了现有产品的缺陷；

（2）本实用新型采用无源的压电材料作为压电薄膜，具有低能耗的优点；

（3）本实用新型的结构简单、巧妙，在同一电极上施加两类信号，再通过后端电路将二者分开，实现了对两种参数的同时测量；

（4）本实用新型还公开了利用上述传感器结构检测压力和温度的方法，该方法步骤简洁，易于实现，在足底压力检测领域具有开拓性。

本实用新型适用于医疗设备技术领域。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例1的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的后端电路的原理图；

图3为本实用新型实施例1的第二种结构的后端电路的原理图；

图4为本实用新型实施例，一段步行过程中一个小电极对应的鞋垫区域测得正应力的信号图。

图中：1、第一器件保护层, 2、第一电极层, 3、压电薄膜层, 4、地电极层, 5、第二器件保护层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例 一种修正温度影响的足底压力鞋垫

本实施例涉及一种修正温度影响的足底压力鞋垫，包括信号采集部分和电路部分。

如图1和图2所示，信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层1、第一电极层2、压电薄膜层3、地电极层4和第二器件保护层5；第一电极层2、压电薄膜层3和地电极层4组成压力检测单元，第一电极层2作为温度检测单元；第一电极层2包括N（N≥1）个按照足底形状分布的小电极。

电路部分包括前端电路和后端电路；前端电路包括控制器和多路调制器，控制器的控制信号输出端通过多路调制器与第一电极层2包括的N个小电极的输入端相连；后端电路包括依次串接的第一多路解调器、第一模数转换单元、第一中央处理器、通讯设备和上位机；压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均与第一多路解调器的信号输入端相连。

本实施例中，后端电路还可采用第二种结构，参照图3，该第二后端电路包括依次串接的第二多路解调器、滤波单元、第二模数转换单元、第二中央处理器、通讯设备和上位机；滤波单元包括并联的低通滤波器和带通滤波器，第二模数转换单元包括并联的第一模数转换器和第二模数转换器；压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均与第二多路解调器的信号输入端相连,低通滤波器的信号输出端通过第一模数转换器、带通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器分别连接第二中央处理器。

本实施例中，低通滤波器的截止频率为10Hz，带通滤波器的频段是20-1000Hz。

本实施例修正温度影响的足底压力的方法是：当采用图2所示的后端电路时，该方法为方法一，包括依次进行的以下步骤：

一、通过控制器将一直流电流信号和交流电流信号输出至多路调制器，多路调制器将收到的一直流电流信号和交流电流信号调制之后输出至第一电极层2；

当第一电极层2的第N（N≥1）小电极对应的传感器表面所受压力发生变化时，压电薄膜层3表面产生电荷并进一步形成交流模拟电流信号；当第一电极层2的第N（N≥1）小电极对应的传感器表面的温度发生变化时，第N（N≥1）小电极的电阻率发生变化从而引起阻值发生变化并进一步形成直流模拟电流信号；检测单元将包含电阻值变化信息的直流模拟电流信号和压力值变化的交流模拟电流信号输出至第一多路解调器；

第一多路解调器将收到的混合模拟电信号解调之后输出至第一模数转换单元；

二、第一模数转换单元将收到的包含直流模拟电流信号和交流模拟电流信号的混合模拟电信号转化为数字信号，并输出至第一中央处理器；

三、第一中央处理器利用自身存储的低通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含温度信息的数字信号，第二中央处理器利用自身存储的带通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含压力信息的数字信号；

四、第一中央处理将包含温度信息的数字信号计算处理得到第N（N≥1）小电极附近的温度变化信号

并通过通讯设备输出至上位机，第一中央处理将包含压力信息的数字信号计算处理得到第N（N≥1）小电极附近的压力信号并通过通讯设备输出至上位机；

五、上位机根据收到的温度变化信号

计算出修正后的压电系数，上位机根据收到的压力信号

计算出检测单元的总电荷数

，最后计算出第N（N≥1）小电极附近的压力修正值。

当后端电路采用图3所示的后端电路时，该方法为方法二，方法一和方法二所采用的前端电路和信号采集部分的硬件结构完全相同，信号采集过程也完全相同，只是在后端电路结构及对信号处理上有差异，它包括依次进行的以下步骤：

（一）通过控制器将一直流电流信号和交流电流信号输出至多路调制器，多路调制器将收到的一直流电流信号和交流电流信号调制之后输出至第一电极层2；

当第一电极层2的第M（1≤M≤N）小电极对应的传感器表面所受压力发生变化时，压电薄膜层3表面产生电荷并进一步形成交流模拟电流信号；当第一电极层2的第M（1≤M≤N）小电极对应的传感器表面的温度发生变化时，第M（1≤M≤N）小电极的电阻率发生变化从而引起阻值发生变化并进一步形成直流模拟电流信号；检测单元将包含电阻值变化信息的直流模拟电流信号和压力值变化的交流模拟电流信号输出至第二多路解调器；

第二多路解调器将收到的混合模拟电信号解调之后输出至滤波单元；

（二）滤波单元将收到的混合模拟电信号经过低通滤波器的处理得到含有电阻率变化的直流模拟电流信号并输出至第一模数转换器，滤波单元将收到的混合模拟电信号经过带通滤波器的处理得到交流模拟电流信号并输出至第二模数转换器；

（三）第一模数转换器将收到的直流模拟电流信号转化为数字信号并输出至第二中央处理器，第二模数转换器将收到的交流模拟电流信号转化为数字信号并输出至第二中央处理器；

（四）第二中央处理器将从第一模数转换器收到的数字电信号进行计算处理得到第M（1≤M≤N）小电极附近的温度变化信号

并通过通讯设备输出至上位机，第二中央处理器将从第二模数转换器收到的数字信号进行计算处理得到第M（1≤M≤N）小电极附近的压力信号并通过通讯设备输出至上位机；

（五）上位机根据收到的温度变化信号计算出修正后的压电系数，上位机根据收到的压力信号

计算出检测单元的总电荷数

，最后计算出第M（1≤M≤N）小电极附近的压力修正值。

如图4所示，是一段步行过程中一个小电极对应的鞋垫区域测得正应力的信号图，信号正向上升阶段表示脚正逐渐踩向鞋垫，正应力增加，随后电荷被消耗；信号反向下降阶段表示足部逐渐离开地面，正应力减小。可由一段稳定步行时间内脉冲尖峰间隔的平均值求出步行周期，从而得出步频：

第一电极层2的小电极的电阻随温度变化关系为：

根据所得低频/直流电压信号可得：

进一步得到温度随时间的变化：

根据所使用压电薄膜材料的压电常数-温度(

-

)关系，得到校正后的压电常数随时间的变化

。

根据压电关系式

可以得到压电薄膜平面上采集到的电荷密度与正应力的关系式

，其中σ为与薄膜平面方向相垂直的正应力。

则修正温度后的足底压力随时间的变化为：

在实际使用中，常常并不是只有某一个小电极检测到温度变化或压力变化，而是很多个小电极一起工作，整个后端电路会一起处理很多个温度信号和压力信号，本实施例只是为了方便阐述清楚，用第一电极层2的第N小电极举例说明。

Claims (2)

1.一种修正温度影响的足底压力传感器，它包括信号采集部分和电路部分，其特征在于：

一）信号采集部分

所述信号采集部分自上而下依次设置的第一器件保护层、第一电极层、压电薄膜层、地电极层和第二器件保护层；

所述第一电极层、压电薄膜层和地电极层组成压力检测单元，第一电极层作为温度检测单元；

二）电路部分

所述电路部分包括前端电路和后端电路；

所述前端电路包括控制器，所述控制器的控制信号输出端与第一电极层的信号输入端相连；

所述后端电路采用第一后端电路或第二后端电路之一，其中，

第一后端电路

所述第一后端电路包括依次串接的第一模数转换单元、第一中央处理器、通讯设备和上位机；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均与第一模数转换单元的信号输入端相连；

第二后端电路

所述第二后端电路包括依次串接的滤波单元、第二模数转换单元、第二中央处理器、通讯设备和上位机；滤波单元包括并联的低通滤波器和带通滤波器，第二模数转换单元包括并联的第一模数转换器和第二模数转换器；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均与滤波单元的信号输入端相连,所述低通滤波器的信号输出端通过第一模数转换器、带通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器分别连接第二中央处理器。

2.根据权利要求1所述的修正温度影响的足底压力传感器，其特征在于：所述第一电极层包括N个小电极，N≥1；

所述前端电路还包括多路调制器；

所述控制器的控制信号输出端通过多路调制器与第一电极层包括的N个小电极的输入端相连；

所述第一后端电路还包括第一多路解调器；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均通过第一多路解调器与第一模数转换单元的信号输入端相连；

所述第二后端电路还包括第二多路解调器；

所述压力检测单元和温度检测单元的信号输出端均通过第二多路解调器与滤波单元的信号输入端相连。

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