發(fā)布時(shí)間：2020-03-30 16:05

【摘要】：足底界面處的應(yīng)力分布可反映出人體的步態(tài)特征、平衡姿勢(shì)等信息,是人體重要的生物力學(xué)參數(shù)之一。足底界面應(yīng)力的檢測(cè)為拇外翻和糖尿病等臨床疾病的預(yù)防和康復(fù)治療提供評(píng)估手段,對(duì)臨床醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)和體育訓(xùn)練的研究和發(fā)展有推動(dòng)作用。因此,研究一種能夠檢測(cè)足底界面應(yīng)力的測(cè)量系統(tǒng)具有重要的意義。目前,足底界面應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)可分為兩類,一類是將剛性傳感器陣列安裝在測(cè)量平臺(tái)上,該方法為早期足底界面應(yīng)力的測(cè)量提供了量化和可重復(fù)的結(jié)果,但是測(cè)量平臺(tái)笨重的缺點(diǎn)使其僅限于實(shí)驗(yàn)室研究,不能滿足長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離的實(shí)時(shí)足底界面應(yīng)力測(cè)量的需求。另一類是將多個(gè)微型界面應(yīng)力傳感器嵌入到鞋墊中,通過(guò)測(cè)量足底與支撐表面接觸時(shí)加載于每個(gè)傳感器上的力來(lái)檢測(cè)足底界面應(yīng)力的分布,能夠不受環(huán)境影響地實(shí)現(xiàn)對(duì)足底界面應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)測(cè)量,然而~([17])足底界面應(yīng)力由垂直于表面的正壓力和相切于表面的剪切應(yīng)力組成,該類測(cè)量方法對(duì)三維力檢測(cè)的研究仍有不足。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文提出一種基于平行極板電容的柔性三維力界面應(yīng)力傳感器和基于該傳感器的足底三維界面應(yīng)力分布測(cè)量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)足底三維界面應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)測(cè)量,具有靈敏度高和柔性便攜的優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)分析傳感器檢測(cè)正壓力和剪切力的工作原理,確定傳感器的測(cè)量范圍和制作材料,設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)、尺寸和電極耦合,研究傳感器的制作工藝并制備了傳感器樣品,設(shè)計(jì)柔性三維力傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置,并分析傳感器的靜態(tài)特性。結(jié)果表明該傳感器能夠檢測(cè)0~250kPa的正壓力,靈敏度1.28fF/N,線性度3.40%,最大遲滯誤差9.37%,重復(fù)性誤差2.50%;該傳感器能夠檢測(cè)0~150kPa的剪切力,靈敏度0.8fF/N,線性度4.30%,最大遲滯引用誤差2.73%,重復(fù)性誤差為1.60%。本論文將上述柔性三維界面應(yīng)力傳感器嵌入到鞋墊中,設(shè)計(jì)一種柔性足底三維界面應(yīng)力分布測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)分析該系統(tǒng)檢測(cè)足底界面應(yīng)力分布的原理,確定測(cè)力鞋墊的尺寸和傳感器單元嵌入測(cè)力鞋墊的位置,研究了測(cè)力鞋墊的制作工藝和制作材料的選取,研究足底界面應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的制備工藝并制作了測(cè)量系統(tǒng)原理樣機(jī)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量正常成年男性左腳足后跟著地期、足放平期和足后跟離地期三個(gè)狀態(tài)下的足底界面應(yīng)力分布,繪制足底界面正壓力和剪切力分布圖并分析了足底正壓力和剪切力分布特性。本文設(shè)計(jì)的足底界面應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng),具有柔性、高空間分辨率和便攜化優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)足底界面正壓力和剪切力分布的實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)本文的研究,豐富和完善了三維力的測(cè)量理論,為足底三維界面應(yīng)力分布的測(cè)量提供新的方法,為傳統(tǒng)剛性傳感器的柔性化提供新的思路。研究成果在臨床醫(yī)學(xué)和生物力學(xué)等鄰域存在巨大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
【圖文】：

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.1 電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)[26]K rk 等人[28]開(kāi)發(fā)了基于聚偏氟乙烯（PVDF）材料的足底正壓力和剪切應(yīng)力傳感器模型，開(kāi)發(fā)的傳感器由四個(gè)獨(dú)立的傳感器元件組成，這些傳感器元件由商用 PVDF材料制成并堆疊在一起。尺寸為 3cm×3cm 的傳感器由商業(yè) 28μ m 厚的材料片手動(dòng)構(gòu)建，，傳感器的總厚度是 2.4mm，傳感器元件被校準(zhǔn)以確定每個(gè)力分量的傳感器靈敏度。李宏恩等人[29]設(shè)計(jì)壓電式步態(tài)分析系統(tǒng)，通過(guò)采集鞋墊中 6 個(gè)采集點(diǎn)的壓力信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸足底壓力信號(hào)，并采用 MATLAB 軟件分析和處理壓力信號(hào)，通過(guò)測(cè)量雙腳擺動(dòng)相計(jì)算步行周期，手機(jī) APP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底壓力

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文22圖3.4 分流法測(cè)量電路基本原理圖根據(jù)上述敘述可知，基于調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路測(cè)量電容、基于 V/T 變換的電容測(cè)量電路、容抗法測(cè)量電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。調(diào)頻電容測(cè)量電路由頻率變化 f 能夠靈敏地測(cè)量待測(cè)電容的變化 C ，從而成功地測(cè)量待測(cè)電容；運(yùn)算放大器測(cè)量電容的電路電路極大改善了變間距式電容傳感器的非線性，但是需要放大電路滿足很大的放大倍數(shù)，而且運(yùn)算放大單路輸入阻抗過(guò)高；基于容抗法的測(cè)量電路的輸出電壓與待測(cè)電容呈正相關(guān)，容抗法也可以很好地檢測(cè)電容的變化，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出電容的測(cè)量；基于分流法的測(cè)量電容的方法是目前集成 IC 的應(yīng)用方案之一，可以很好地檢測(cè)微小電容的變化，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出電容的測(cè)量。根據(jù)由第二章分析可知
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R318.01;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2607756