一种检测步行时足底三轴力的传感器及相应的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种检测步行时足底三轴力的传感器，包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连，信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜。本发明专利技术还公开了检测步行时足底三轴力的方法。本发明专利技术在测出正应力的同时，可测出足底切应力的大小、方向的变化，弥补了现有产品的缺陷，为足底压力的测量提供了更丰富、全面的数据。本发明专利技术适用于医疗设备技术领域。

A Sensor for Measuring the Three-Axis Force of Foot Plants in Walking and Its Corresponding Detection Method

【技术实现步骤摘要】
一种检测步行时足底三轴力的传感器及相应的检测方法
本专利技术属于医疗设备
，用于检测步行时足底正应力和切应力，具体地说是一种检测步行时足底三轴力的传感器及相应的检测方法。
技术介绍
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。传统的足底压力测量设备大多只能测量正应力，无法提供切应力的数据，然而很多疾病已被证明与后者密切相关。例如，授权公告号为CN208511028U的中国技术专利公开了一种足底压力信号采集装置，其通过设置的纵向导电带和横向导电带的交叉点作为信号采集点，采集足底压力的分布。上述技术只能简单采集足底压力的分布，无法提供切应力的数据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种检测步行时足底三轴力的传感器，可以同时测量足底的正应力、前后方向的切应力和内外方向的切应力。本专利技术的另外一个目的是提供一种检测步行时足底三轴力的方法。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案如下：一种检测步行时足底三轴力的传感器，它包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连；（一）信号采集部分所述信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；所述采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜；所述第一压电薄膜以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（1）>>d33（1）>>d32（1）；第二压电薄膜均以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（2）>>d33（2）>>d32（2）；第三压电薄膜以纵向压电效应为主，其压电常数满足d33（3）>>d31（3）>>d32（3）；所述第一电极、第一压电薄膜和第三电极一起组成第一切应力采集组，第二电极、第二压电薄膜和第三电极一起组成第二切应力采集组，第四电极、第三压电薄膜和第三电极一起组成正应力采集组；所述采集单元的数量为至少一个。作为限定：所述后端电路包括串接的信号处理电路、通讯设备和上位机；所述信号处理电路包括并联的第一～第三信号处理电路；所述第一信号处理电路包括第一电荷放大器和第一模数转换器，第一电荷放大器的输入端与第一切应力采集组的信号输出端相连，第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与通讯设备的第一输入端相连；所述第二信号处理电路包括第二电荷放大器和第二模数转换器，第二电荷放大器的输入端与第二切应力采集组的信号输出端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与通讯设备的第二输入端相连；所述第三信号处理电路包括第三电荷放大器和第三模数转换器，第三电荷放大器的输入端与正应力采集组的信号输出端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与通讯设备的第三输入端相连。作为进一步限定：所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连。作为第二种限定：第一压电薄膜和第三压电薄膜的电轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上；第二压电薄膜的机械轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上。作为第三种限定：第一电极和第四电极都是圆形电极，第二电极是包围第一电极的带缺口的环形电极，第一电极的输出引线从第二电极的缺口处穿出，第四电极的半径等于第二电极的外环半径；第一压电薄膜是半径与第一电极半径相同的圆形薄膜，第二压电薄膜是内径、外径分别与第二电极的内径、外径相同的环形薄膜。作为进一步限定：第一电极和第二电极的面积相等。作为第五种限定：当采集单元的数量大于一个时，各个采集单元的第三电极共地。一种检测步行时足底三轴力的方法，采用上述的检测步行时足底三轴力的传感器实现，按照以下步骤顺序进行：一、当传感器所受正应力发生变化时，第三压电薄膜表面产生电荷；当传感器沿第一压电薄膜方向所受切应力发生变化时，第一压电薄膜表面产生电荷；当传感器沿第二压电薄膜方向所受切应力发生变化时，第二压电薄膜表面产生电荷；二、后端电路分别收集第一～第三压电薄膜表面产生的电荷并进一步处理，最终求出对应的正应力、第一切应力和第二切应力。作为限定，所述步骤二按照以下步骤顺序进行：（一）第一电荷放大器收集第一压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；（二）第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别通过通讯设备输出至上位机；（三）上位机根据从第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据从第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据从第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值；所述第一切应力是足底前后方向的切应力，第二切应力是足底内外方向的切应力。作为进一步限定，所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连；所述步骤二按照以下步骤顺序进行：S1、第一电荷放大器收集第一压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第一模数转换器，第二电荷放大器收集第二压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第二模数转换器，第三电荷放大器收集第三压电薄膜表面产生的电荷后放大成模拟电压信号并输出至第三模数转换器；S2、第一～第三模数转换器将收到的模拟电压信号转换成数字信号并分别输出至中央处理器；S3、中央处理器对收到的数字信号赋予串口传输的次序后通过通讯设备将其发送至上位机；S4、上位机根据来源于第一模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第一切应力值，上位机根据来源于第二模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的第二切应力值，上位机根据来源于第三模数转换器收到的数字信号计算得到传感器所受的正应力值。本专利技术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）本专利技术在测出正应力的同时，可以测出足底切应力的大小、方向的变化，弥补了现有产品的缺陷，为足底压力的测量提供了更丰富、全面的数据；（2）本专利技术的结构简单、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测步行时足底三轴力的传感器，它包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连，其特征在于：（一）信号采集部分所述信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；所述采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜；所述第一压电薄膜以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（1）>> d33（1）>> d32（1）；第二压电薄膜均以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（2）>> d33（2）>> d32（2）；第三压电薄膜以纵向压电效应为主，其压电常数满足d33（3）>> d31（3）>> d32（3）；所述第一电极、第一压电薄膜和第三电极一起组成第一切应力采集组，第二电极、第二压电薄膜和第三电极一起组成第二切应力采集组，第四电极、第三压电薄膜和第三电极一起组成正应力采集组；所述采集单元的数量为至少一个。...

【技术特征摘要】
1.一种检测步行时足底三轴力的传感器，它包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分的信号输出端与后端电路的信号输入端相连，其特征在于：（一）信号采集部分所述信号采集部分包括自上而下依次设置的第一器件保护层、采集单元和第二器件保护层；所述采集单元包括自下而上依次设置的第四电极、第三压电薄膜、第三电极以及于第三电极之上并列且间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第三电极之间设置有第一压电薄膜，第二电极与第三电极之间设置有第二压电薄膜；所述第一压电薄膜以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（1）>>d33（1）>>d32（1）；第二压电薄膜均以横向压电效应为主，其压电常数满足d31（2）>>d33（2）>>d32（2）；第三压电薄膜以纵向压电效应为主，其压电常数满足d33（3）>>d31（3）>>d32（3）；所述第一电极、第一压电薄膜和第三电极一起组成第一切应力采集组，第二电极、第二压电薄膜和第三电极一起组成第二切应力采集组，第四电极、第三压电薄膜和第三电极一起组成正应力采集组；所述采集单元的数量为至少一个。2.根据权利要求1所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：所述后端电路包括串接的信号处理电路、通讯设备和上位机；所述信号处理电路包括并联的第一～第三信号处理电路；所述第一信号处理电路包括第一电荷放大器和第一模数转换器，第一电荷放大器的输入端与第一切应力采集组的信号输出端相连，第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与通讯设备的第一输入端相连；所述第二信号处理电路包括第二电荷放大器和第二模数转换器，第二电荷放大器的输入端与第二切应力采集组的信号输出端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与通讯设备的第二输入端相连；所述第三信号处理电路包括第三电荷放大器和第三模数转换器，第三电荷放大器的输入端与正应力采集组的信号输出端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与通讯设备的第三输入端相连。3.根据权利要求2所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：所述信号处理电路与通讯设备之间设置有中央处理器；所述第一电荷放大器的输出端通过第一模数转换器与中央处理器的第一输入端相连，第二电荷放大器的输出端通过第二模数转换器与中央处理器的第二输入端相连，第三电荷放大器的输出端通过第三模数转换器与中央处理器的第三输入端相连，中央处理器的信号输出端通过通讯设备与上位机相连。4.根据权利要求1所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：第一压电薄膜和第三压电薄膜的电轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上；第二压电薄膜的机械轴指向足底的前进方向，z轴方向垂直向上。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：第一电极和第四电极都是圆形电极，第二电极是包围第一电极的带缺口的环形电极，第一电极的输出引线从第二电极的缺口处穿出，第四电极的半径等于第二电极的外环半径；第一压电薄膜是半径与第一电极半径相同的圆形薄膜，第二压电薄膜是内径、外径分别与第二电极的内径、外径相同的环形薄膜。6.根据权利要求4所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：第一电极和第二电极的面积相等。7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的一种检测步行时足底三轴力的传感器，其特征在于：当采集单元的数量大于一个时，各个采集单元的第三电极共地。8.一种检测步行时足底三轴力...

【专利技术属性】
技术研发人员：高硕，代晏宁，刘洁，
申请(专利权)人：北京中硕众联智能电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11