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人体压力分布测量及其传感技术
第18卷 第2期2005年6月
传感技术学报
CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS
Vol.18 No.2Jun.2005
PressureMappingSystemanditsSensorTechnology
ZhUANGYan2zi,CAIPing,ZHOUZhi2feng,YINLiang2yong
(ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China
Abstract:
PressureMappingSystemisavisualtoolformeasuringinterfacepressuresthatoccurbetweenpa2tientsandtheircontactsurfaces.Thepaperdescribedthegeneralstructureofthesystemanditssensortechnology.Theyarecapacitivesensor,resistivesensorwhichismadeofresistiveink,piezoresistivesensor,andetc.Threetypicalpressuremappingsystemsareconsulted,whichare,Xsensor,TekscanandFSA;Atthesametime,itdiscussestheirmaincharacteristicswiththeadvantagesanddisadvantages,andcomparestheirmainperformance.Lastly,thispaperintroducesaself2designedpressuremappingsystem,andputsforwardthetestingresultsbasedonthissystem.
Keywords:
pressuremapping;pressuresensor;measurement;resistiveinkEEACC:
7230
人体压力分布测量及其传感技术
庄燕子,蔡 萍,周志锋,尹良勇
(上海交通大学仪器系,上海 200030
收稿日期:
2004209220
摘 要:
体压分布测量系统是测试病人坐卧时,人体与接触面之间压力的可视化工具。
介绍了人体压力分布测量系统的一
般结构,对其关键点———传感器技术作了较为详细的叙述。
它们分别是电容式压力传感器;用电阻油墨制成的电阻式压力传感器阵列;压电电阻传感器等。
有针对的介绍了国外三种典型的人体压力测试产品,Xsensor、Tekscan和FSA;论述了它们的主要特点及优缺点,并对其主要性能作了对比。
最后介绍了自行设计的体压分布测量系统,并给出了实测结果。
关键词:
压力映射;压力传感器;测量;电阻墨水
中图分类号:
TP212.9 文献标识码:
A 文章编号:
100529490(2005022******* 坐卧是人类最基本的活动之一。
人生三分之一的时间是在床上度过的,其余时间有一大部分处于坐姿。
坐卧时,人体局部长期受压过大会引起褥疮、坐疮等疾病,每年用于该类疾病的费用高达64亿美元[1]。
对于半身不遂、卧床不起的人来说,如果不采取有效减压措施,这种疾病将是致命的。
因此,检测人体坐卧时的受力状态是非常必要的。
体压分布测量系统也称压力映射系统,正是这种测量的技术手段和设备。
它的研制不仅在临床医疗、康复等方面给病人以福音,更对这些领域的研究具有重要的科
学意义;另外在许多新产品开发、产品改良、产品测试等方面也有重要的应用价值,如床垫,轮椅,驾驶椅,运动器材等。
1 传感技术
人体压力分布测量技术的研究,在国外已进行了四十多年,市场上的产品也是形形色色。
按所用压力传感器来分,大致有以下几种类型:
电容式、压阻式、应变式等等。
其中压阻式和电容式压力测试系统应用最为普遍,能实时测量连续的坐卧压力分
布[2,3]。
1.1 几种典型的压力分布测量用传感技术
电容式传感器是利用两个带电体作为电极构成电容器,在被测参数作用下引起电容值变化的一种测量装置。
此种传感器的结构形式较多,其中应用较多的是平行板电容器。
图1为XSENSOR研制的垫面状电容式压力传感器的横截面示意图。
它共有七个层次,第一、七层为表面织物层;二、四、六层为碳浸渍硅胶层作为电极,每层厚0.16cm;三、五层为聚亚氨酯泡沫橡胶,层厚0.16cm。
各层间用合成橡胶粘接剂粘接在一起。
第二、四、六层分别引出导线,二、六层接地,这样就相当于两个电容并联,总电容为两电容之和;这种结构的另一个优点是,任何一面接触人体都不会有相应的寄生电容产生
。
图1 电容式压力传感器
上述结构从整体上构成了一个平行板电容器,当负载沿垂直方向作用时,泡沫橡胶被挤压,极板间距减小,电容量增加。
其变化可用适当电路检出,并转换成电压信号输出。
图2为美国产INTERLINK传感器的结构示意图。
它是用金属粉末或碳黑浸渍合成物而制成的。
其主要结构为两层相邻的聚酯薄膜。
其中一层聚酯薄膜上,是高阻性的导电聚合体敏感膜片,称之为电阻油墨,它是一种悬浮在聚酯薄膜层上的某些
有机成份和无机成份的混合物。
导电性较强的混合物构成了细微的表面导电通路。
另一层印刷在聚酯
薄膜上的是相互交错的可扩展电极。
当弹性橡胶被压时,两层薄膜间的接触电阻减小,导电性增加。
随着压力的增大,接触电阻进一步减小
。
图2 INTERLINK传感器
该传感器仅有0.25mm厚,造价低、有弹性、结实耐用、不易老化和氧化。
其温度范围也较高。
无压力作用时,其电阻约为10~100MΩ。
受力较小时,它的作用相当于开关关断状态,随着压力的增加,其电阻按指数规律减小[5]。
图3是其工作原理图。
在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体,如图3(a所示,如果对这一电阻体施加压力,由于压电电阻效应,其电阻值将发生变化。
受到应变的部分,即膜片由于容易感压而变薄,如图3(b所示,当向空腔部分加上一定的压力时,膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。
压电电阻的排列方法如图3(c所示,受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加;受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。
这4个电阻连接成电桥的形式,如图3(d所示,其电压输出为:
V=
E2R(R+ΔR-E2R
(
R-ΔR
即 V=E
ΔR
R其中,E—电源电压,ΔR
R
—电阻变化率
413传 感 技 术 学 报2005年
该传感器的优点是薄,舒适耐用,但是分辨率和
精度却不理想[6]
。
图3 压电电阻传感器工作原理
导电橡胶压力传感器。
导电橡胶是一种新型材
料,它通常由硅橡胶填以镍或是碳黑组成。
如果填料的浓度超出了某一个初始值(称为浸透值,就会形成导电粒子网络,同时合成聚合体的阻值由1012Ω/cm下降到10Ω/cm;如果外加压力施加于填料浓度接近于浸透值的合成聚合体上,那么附加的导电网络就会使得阻值大大减小。
这种特性使得导电橡胶合成物可以被用作压力传感器。
过去,这种材料主要有两大限制:
一是电特性不够稳定,阻值不仅仅取决于压力值,还跟压力的历史值有关;二是不耐用。
而今,混合法取得了长足进展,使得导电橡胶材料的研究有望突破,不过大多数公司的研发方向主要集中在开-关型应用上[7,8]。
日本富士公司研制的压敏片(FUJIPrescaleFilm能通过颜色的深浅直观地反映接触区域的压力分布情况,已经在足压测量等多方面应用。
它具有厚度薄、可被任意裁减、使用简单、价格低廉等特点,但是每片只能使用一次,不能重复使用。
另外压敏片虽然可以以人眼方便的粗判读,但是要做到精判读,就要借助于富士公司生产的浓度计及压力转换计,或是扫描仪同计算机建立图形分析系统[9]。
1.2 影响传感器精度的主要因素
同一般硬性压力传感器相比,用于人体压力分布测量的薄软压力传感器,大多都有一个重要局限:
滞后影响严重。
滞后是表征传感器正向(输入量增大和反向(输入量减小行程间输出-输入特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值△Hmax与满量程输出F・S的百分比表示,即:
eH=△Hmax
F・S
×100%
一般而言,这些薄软压力传感器的eH≈5%。
滞后性是由这类传感器所用的聚合物材料引起的。
聚合物材料具有弹性特性,一方面这个特性使得传感器变得柔软,可另一方面这也是引起滞后的重要原因。
对于这类传感器而言,如何校准是个非常重要的问题。
因为传感器数量众多,按传统的对单个传感器校准的方式相当繁琐;又由于传感器的稳定性、滞后性以及其他参量的交叉灵敏度(温度、湿度、磁场等的影响,使得这类系统需要经常校准(一般一年几次,这样才能保证系统精度。
通常,本系统都要配套特定的校准工具,它具有压力基准值,并能一次对所有的传感器进行校准。
如FSA的压力校准工具[10]。
计算机是本系统的组成部分之一,所以可以通过软件使得传感器“智能化”。
例如,通过好的软件算法可对传感器的滞后性进行补偿;每次使用这类系统时,可用软件的方式,将未受人体压力的初始压力值标零,从而达到对交叉灵敏度进行补偿的目的[11]。
2 人体压力分布测量的参照分析
2.1 Xsensor
ROHO公司的Xsensor压力测量系统,是采用
电容传感技术,来测量人体在不同支持面上所受之表面压力。
该系统可应用于多种领域,如床垫轮椅的设计与测试、科学分析、表面舒适度优化以及预防压力病痛等。
Xsensor有多种尺寸的垫面供选择,最大尺寸
为80cm×200cm,包含10,240个传感点。
每平方英寸安置4个传感点。
扫描速率每秒可达10,000~70,000个传感点。
整个系统的绝对精度为±10%或是10mmHg[10]。
2.2 Tekscan
Tekscan压力分布测量系统的独特之处在于其
专利技术———柔性薄膜网格状触觉压力传感器。
这种传感器厚度仅为0.1mm,且柔性很好,因而为测量各种接触面之间的压力创造了更好的条件。
标准的Tekscan压力传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成,其中一片薄膜内表面铺设若干行、另一片薄膜内
5
13第2期庄燕子,蔡 萍等:
人体压力分布测量及其传感技术
表面铺设若干列的带状导体。
导体本身的宽度以及导体之间距离可以根据不同的测量需要而设计。
导体外表涂有特殊的电阻油墨涂层。
当两片薄膜合为一体时,这些横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力传感点阵列,呈网格状。
当外力作用到传感点上时,半导体的阻值会随外力成比例变化,压力为零时,阻值最大,压力越大,阻值越小。
传感器内导体的宽度、间距决定了每单位面积内传感点的数量,即空间分辨率。
不同的传感器面积和空间分辨率可满足各种不同的测量要求。
例如,用于座椅压力分布研究的传感器每片有2000个传感点,空间分辨率为1个传感点/cm2;还有最大空间分辨率达248个传感点/cm2的产品。
传感器有不同的形状和规格,压力测量范围为0-175Mpa,数据采集速率为127Hz~10kHz,精度为±5%。
如果测量面积较大,一个传感器不能覆盖时,可选择Tekscan的虚拟系统结构(VSA,即使用多个传感器(最多12个的组合[12]。
2.3 FSA
加拿大VistaMedical公司的FSA(ForceSensingArray压力测试系统,采用了压电电阻压力传感技术。
FSA系统的垫面厚度仅为0.36mm。
另外它受温度和湿度的影响都很小,其工作环境为:
温度15℃~32℃,湿度0~100%。
该系统可靠性,重复性好,持久耐用。
其精度为±10%,其中2%由滞后引起;8%由漂移导致,亦即压力值不变,但是测量值会随着时间的增加而增长[10]。
3 自行设计系统方案及其运行结果
在对体压分布测量系统及其传感技术分析研究的基础上,我们自行设计了适合于测量人体坐压、背压以及枕压等分布压力的体压分布测量系统,该系统是利用气压传送机理设计实现的。
3.1 系统组成
如图4所示,人体坐压分布测量系统主要由三部分组成:
①感压坐垫———由垫面、感受压力的气包阵列和导气管组成,主要功能是感压及气体压力传输;
②测量电路———由感受气包气压的微型压力传感器以及信号采集电路组成,主要功能是压力传感及其信号处理和传输;
③计算机及其专用软件。
这部分的功能是实现压力的可视化输出,并进行相关的数据统计
。
图4 系统组成
3.2 实测结果
图5、6、7、8是本系统对甲乙两人分别坐在不同座椅上实测的输出图形
。
图5
甲坐于软椅
图6
甲坐于硬椅
图7 乙坐于软椅
613传 感 技 术 学 报2005年
图8 乙坐于硬椅
受试者甲:
身高175cm,体重80kg,男性;
受试者乙:
身高183cm,体重65kg,男性;
座椅A:
木制平板凳;
座椅B:
棉制软椅,中间凹陷,四周稍突。
图示结果表明,软椅受力较均匀,其中间凹陷设计使得软椅的受力面积大于平板凳。
另外,不同的人坐在相同的座椅上结果不同。
不同胖瘦受试者的最大压力和平均压力均有明显区别。
4 结束语
目前,人体压力分布测量系统应用还不普遍,尤其是在国内,鲜有机构应用。
主要原因有两个:
一是系统自身的性能还不理想,主要表现为精度低,受滞后、漂移影响大,无法测量剪切力,使用几次后如何对系统进行简便而又精准的再校准也是个问题。
另外,高昂的价格也是限制该系统广泛应用的重要因素。
系统中所用的压力传感器,多为各家公司的专利产品,使得整套系统价格昂贵。
如果在未来10年,有更多更好的方法,来测量人体在软表面上所受的压力,有价格低廉而又性能优良的产品出现,那么压力映射系统会得到更为普遍的应用。
国内对此的研发还处于起步阶段,面也较窄,主要是研究足底压力测量。
如中国科技大学的人体步态分析系统[13]。
华中科技大学的足底压力分布测量系统[14]等。
尽管如此,人体压力分布测量系统已进入临床、康复、工业等领域,随着传感技术、遥测遥控技术、电子技术及计算机技术的发展,压力映射系统会向着高性能、低价格、远程化、自动化程度更高的方向发展,进而成为医疗、康复、体育等的常规化设备,也会成为床垫、轮椅、汽车驾驶座椅等制造行业进行新产品研发的必备用具。
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713
第2期庄燕子,蔡 萍等:
人体压力分布测量及其传感技术
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