人体压力分布测量及其传感技术.pdf

第 卷 第 期 年 9 P r e s s u r eM a p p i n gS y s t e ma n d i t s S e n s o rT e c h n o l o g y 4 6 8 0 4 8 4 0 4 0 4 8 0 4 4 9 A 1 0 5 0 1 3 4 5 0 4 9 8 4 4 4 0 1 7 4 8 0 4 3 4 5 8 e y9 o r d s 5 0 1 0 8 5 5 0 4 4 6 0 B 6 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 蔡 萍 I L 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 D 0 8 A B 0和E 2 F 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 T P A B 文献标识码 6 文章编号 C D B E B C D D C 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L H亿美 元 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 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 医网打尽 w w w 5 1 d a i f u n e t 医生在线 w w w 5 1 d a i f u c o m 医网打尽 w w w 5 1 d a i f u n e t 医生在线 w w w 5 1 d a i f u c o m 布 二 四 六层为碳浸渍硅胶层作为 电极 每层厚 L 5 三 五层为聚亚氨酯泡沫橡 胶 层厚 L 5 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 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 该传感器的优点是 柔软 耐用 缺点是 较厚 这样会影响所要测量的表面压力值的准确性 因为 传感器垫面是直接放置在柔软的坐卧垫上的 如果 传感器太厚就会减小人体与坐卧垫间的负荷面积 从而使得测量值比实际值大 H 电阻式传感器 图 为美国产Q N A M P G Q N R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 Q N A M P G Q N R传感器 该传感器仅有 55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 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 该传感器较薄 有弹性 造价低 电路简单 但 输出非线性大 功耗高 不耐用 滞后影响严重 也就 是说 当压力增大时 测量值要小于实际值 而当压 力变小时 测量值却大于实际值 首先确认了半导体压电电阻效应 图 Z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 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 系统组成 如图H所示 人体坐压分布测量系统主要由三 部分组成 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 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 受试者乙 身高 座椅F 木制平板凳 座椅 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 E 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 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 0 B 3 A 0 2 C I I 5 0 4 8 9 3 0 5 4 0 1 4 0 9 7 Y 0 7 N 8 I 7 0 4 8 7 3 4 0 7 4 9 8 7 4 4 8 0 V 0 4 2 4 4 4 0 4 H H I 2 4 5 8 7 2 8 I J I 08 0 3 4 85 8 0 08 6 6 8 9 4 8 8 7 0 4 0 b W F 6 2 B 0 8 0 S 8 0 7 B H d 6 7 8 5 0 4 0 7 4 8 0 8 9 7 4 7 7 3 8 0 4 6 c W Q 0 4 0 4 8 0 7 8 7 3 5 2 0 0 A 0 8 7 8 1 3 9 S F A 09 7 Y 韦启航 陆文莲 傅祖芸 卢世璧 人体步态分析系 统 足底压力测量系统的研制 W 中国生物医学 工程学报 I H H 袁刚 张木勋 张建华 足底压力分布测量系统及临床 应用 W 中国康复