搏擊類電子護(hù)具用測力傳感器及其調(diào)理電路的研究*

賀 偉,雷 挺*,翟少紅

(1.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,西安 710061;2.西安體育學(xué)院武術(shù)系,西安 710068)

?

搏擊類電子護(hù)具用測力傳感器及其調(diào)理電路的研究*

賀 偉1,雷 挺1*,翟少紅2

(1.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,西安 710061;2.西安體育學(xué)院武術(shù)系,西安 710068)

通過研究目前跆拳道電子護(hù)具的諸多優(yōu)缺點,設(shè)計制作了一種內(nèi)嵌于護(hù)具中使用的,基于e-Touch壓電薄膜的無擾動、抗干擾,可根據(jù)需要制作為不同規(guī)格的搏擊比賽通用型測力傳感器,并聯(lián)成模塊網(wǎng)絡(luò)后與單片機相連可實現(xiàn)對被擊打區(qū)域的確定。以反應(yīng)速度快且跟隨性好的電壓跟隨器作為調(diào)理電路結(jié)合標(biāo)定結(jié)果為后續(xù)計算作用力大小、持續(xù)時間、作用頻率做好準(zhǔn)備。通過測力傳感器模塊制作、標(biāo)定、電路仿真、整體測試,達(dá)到了使用要求。

搏擊類電子護(hù)具;e-Touch壓電薄膜;測力傳感器;電壓跟隨器;測力傳感器模塊網(wǎng)絡(luò)

電子護(hù)具自泰山Daedo、lajust公司研制之初就備受關(guān)注與爭議,近幾十年來,跆拳道電子護(hù)具以其反應(yīng)較為靈敏,可判斷作用力來源,自身擾動小的優(yōu)點得到了較快的發(fā)展,甚至登上奧運會的舞臺。但由于比賽規(guī)則、規(guī)模以及不同護(hù)具使用測力傳感器、接觸式感應(yīng)芯片及可識別動作的ID芯片的原因,跆拳道電子護(hù)具時而需要較長時間接觸時而相互靠近就可輕易得分,導(dǎo)致比賽的判罰結(jié)果時常遭到運動員的質(zhì)疑且平時訓(xùn)練難度大增。

作為電子護(hù)具核心部件的測力傳感器,其能否檢測作用力大小、抗干擾性、使用壽命等問題直接影響著護(hù)具的使用與發(fā)展[1]。本文針對以上諸多問題及電子護(hù)具對賽事的影響[2],設(shè)計了一種基于e-Touch壓電薄膜的無擾動、抗干擾、可替換的新型測力傳感器。結(jié)合調(diào)理電路,通過輸出波形檢測作用力大小、作用時間并由此計算作用力頻率[3],由不同并聯(lián)組網(wǎng)區(qū)域被有效擊打來確定作用力的位置。同時,可以根據(jù)不同賽事護(hù)具的需要、相應(yīng)賽事不同性別、級別運動員的使用要求,制作滿足賽事要求的不同尺寸、受力范圍的測力傳感器。通過仿真、測試,達(dá)到了設(shè)計要求。

1 電子護(hù)具傳感器

1.1 傳感器主體工作原理

e-Touch壓電薄膜內(nèi)部含有眾多扁平狀孔洞結(jié)構(gòu),在這些孔洞中儲存有永久正負(fù)電荷。當(dāng)壓電薄膜受到動態(tài)應(yīng)力的作用時,厚度發(fā)生變化,并隨之產(chǎn)生了相應(yīng)的電荷,這些電荷在薄膜的上下電極上積聚,從而產(chǎn)生了與作用力大小相對應(yīng)的電荷。

試驗中選用貝新電子科技(上海)有限公司的e-Touch壓電薄膜,其主要參數(shù):壓電電荷系數(shù)10 pC/N、壓電頻率范圍1 kHz～100 kHz、電容17 pF/cm2、阻抗10 MΩ/cm2、壓力范圍0.1 kPa～1 000 kPa。

1.2 測力傳感器模塊實現(xiàn)

在借鑒跆拳道電子護(hù)具的諸多成熟優(yōu)點及研究其感應(yīng)識別穩(wěn)定性、信號采集、擦碰誤判[4]等問題后,本文通過在普通e-Touch壓電薄膜正反兩面黏貼緩沖材料,外層包裹柔性屏蔽材料及在薄膜負(fù)極與屏蔽材料間連接屏蔽線的方法,制作實現(xiàn)了一種搏擊類電子護(hù)具用測力傳感器,并內(nèi)嵌于護(hù)具中使用。

圖1 搏擊比賽用傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)護(hù)具的外形及厚度選擇不同形狀的壓電薄膜,調(diào)整兩側(cè)緩沖材料的材質(zhì)與厚度滿足不同性別、級別賽事的需要并消除自身及外界擾動,柔性屏蔽材料及屏蔽線用于屏蔽工頻、電磁干擾,最終將傳感器內(nèi)嵌于護(hù)具中使用。

1.3 傳感器標(biāo)定

圖2 測力傳感器模塊標(biāo)定狀態(tài)圖.

為了達(dá)到精確測量沖擊力大小的目的,每個測力傳感器均通過動態(tài)沖擊力標(biāo)定器標(biāo)定。拉升標(biāo)定器的沖擊桿至不同的高度對應(yīng)產(chǎn)生不同的沖擊力,動態(tài)沖擊連接示波器的傳感器模塊。

制作多個外形和厚度相同的測力傳感器模塊,且上下均使用1 mm橡膠緩沖材料,選擇其中3個進(jìn)行標(biāo)定,結(jié)果如下:

表1 測力傳感器模塊1標(biāo)定結(jié)果

結(jié)果顯示:作用力不同,輸出電壓不同,同一規(guī)格的傳感器模塊輸出電壓也因為傳感器自身及緩沖材料的略微差異而存在-1.6 V～+2 V的差異,且輸出電壓與作用力類似于指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

再制作兩個外形和厚度相同,且上下使用1 mm的塑料板做緩沖材料的測力傳感器模塊,進(jìn)行標(biāo)定,其結(jié)果如下:

表2測力傳感器模塊2標(biāo)定結(jié)果

改變緩沖材料的厚底、材質(zhì)輸出電壓均發(fā)生變化,以此區(qū)別不同級別、外形護(hù)具所適用的測力傳感器。由不同沖擊力對應(yīng)傳感器輸出電壓的函數(shù)關(guān)系,通過編程,后續(xù)處理時將采集到的電壓值轉(zhuǎn)化成對應(yīng)沖擊力即可。

2 調(diào)理電路

2.1 調(diào)理電路選型

除此之外,由于e-Touch薄膜高阻低輸出的工作原理,使用輸入阻抗高、輸出阻抗低,可以接收小電流信號且具有極強的帶負(fù)載能力的射極跟隨器作為后續(xù)調(diào)理電路也可。但射極跟隨器電路使用的晶體管,溫度漂移大、直流偏置大、存在較大跟蹤誤差,且碰觸容易損壞。

考慮到內(nèi)嵌于護(hù)具中的傳感器模塊及調(diào)理電路嚴(yán)格受到厚度及空間的限制,電路越復(fù)雜穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性越差,且工作在易受外界溫度、濕度、工頻、電磁干擾的環(huán)境中。最終使用與射極跟隨器特性一致,輸入阻抗高而輸出阻抗低,具有緩沖、隔離、高負(fù)載且電壓放大倍數(shù)恒小于等于1的電壓跟隨器作為調(diào)理電路,將壓電薄膜的電荷輸出轉(zhuǎn)化為電壓輸出[7]。

圖3 電壓跟隨器原理圖

同時,壓電傳感器電壓靈敏度隨電纜分布電容、自身電容變化的問題[8],電壓跟隨器電路外接限流電阻、相位補償電容也可解決[9]。

2.2 調(diào)理電路實現(xiàn)

由于護(hù)具屬于動態(tài)應(yīng)力測量且采樣點多、間隔短,因此使用高阻、低噪聲、高壓擺率且溫度范圍較好的AD744KR運算放大器。而由e-Touch的工作原理及其參數(shù)特性,最終將其等效為5 nA～40 μA電流源、50 pF源電容、30 MΩ源電阻并聯(lián)的結(jié)構(gòu)[10]。

3 仿真

通過Multisim10軟件對傳感器的核心部件e-Touch壓電薄膜及測力傳感器系統(tǒng)進(jìn)行仿真[11]。

由于連接傳感器模塊至示波器,使用動態(tài)沖擊力標(biāo)定器進(jìn)行大動態(tài)沖擊力沖擊測試時,多次輸出>50 V電壓,結(jié)合實際中壓電薄膜的參數(shù)特性及調(diào)理電路的輸入電壓最大值,使用分壓電路以確保電路正常工作。

圖5 系統(tǒng)仿真圖

調(diào)節(jié)電流源的參數(shù),模擬測力傳感器受到不同外界沖擊力的情況。

表3 測力傳感器及電路仿真結(jié)果

顯然,傳感器模塊輸出與調(diào)理電路輸出結(jié)果對應(yīng)成比例,調(diào)理電路將壓電薄膜的電荷輸出轉(zhuǎn)化為電壓輸出且電壓跟隨性較好,便于后續(xù)將電壓值較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為擊打力度值。

4 應(yīng)用實現(xiàn)

4.1 測力傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)

仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求后,選取并制作對應(yīng)的調(diào)理電路及傳感器模塊。

圖6 調(diào)理電路實物圖

分別連接示波器的CH1、CH2通道至測力傳感器模塊輸出端及調(diào)理電路輸出端。通過動態(tài)沖擊力標(biāo)定器對傳感器模塊施加不同級別的動態(tài)沖擊力,并由示波器觀察對應(yīng)的輸出峰值。

表4 測力傳感器模塊及調(diào)理電路輸出

替換同一規(guī)格的傳感器模塊進(jìn)行測量,其輸出電壓與調(diào)理電路輸出電壓有略微變化但輸出成比例,與之前比例結(jié)果相差在±0.3以內(nèi)。試驗中,當(dāng)傳感器模塊輸出電壓115 V后不再變化,顯然達(dá)到所產(chǎn)生的電荷量的上限,為了能滿足使用要求,替換更高阻尼系數(shù)的緩沖材料并重新標(biāo)定即可。

由一組同一規(guī)格的傳感器模塊標(biāo)定結(jié)果也可注意到,從輸出電壓不再發(fā)生變化之前的輸出結(jié)果有一定的偏差但都隨施力高度的變化而變化且比例基本相同,在0～0.05 m間線性度較好。

4.2 使用改進(jìn)

實際使用時,測力傳感器模塊及其調(diào)理電路會受到汗?jié)n腐蝕、溫度變化、不同級別沖擊力的考驗。為了確保系統(tǒng)正常工作,在測力傳感器的輸出引腳添加柔性密封防腐蝕材料并將調(diào)理電路封裝在填充緩沖材料的密閉柔性殼體中[12]即可。

5 測力傳感器模塊網(wǎng)絡(luò)[13]

將同一外形、厚度和耐沖擊力值的一組測力傳感器模塊通過總線的方式并聯(lián)連接,內(nèi)嵌于所用護(hù)具或相應(yīng)設(shè)備中,并調(diào)整分布位置,保證使用時最少有一個傳感器模塊可被有效擊中。各傳感器模塊正極輸出端連接二極管后再連至總線,避免相互之間的影響。

圖7 測力傳感器模塊網(wǎng)絡(luò)連接圖

使用時,被擊中的傳感器模塊數(shù)目有限,且采用并聯(lián)方式連接,有效接觸后模塊網(wǎng)絡(luò)的總阻值降低,阻抗匹配條件依然滿足,可以繼續(xù)使用之前的調(diào)理電路。而相應(yīng)數(shù)目的測力傳感器模塊被有效擊打時,對應(yīng)輸出相應(yīng)數(shù)目,不同幅值、作用時間的電壓信號,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換、單片機內(nèi)部脈沖信號采樣轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的力度值并全部相加,及該作用力的大小。作用力的頻率則可以通過檢測多組相鄰輸出波形的中間時刻,由計算得到。

增加測力傳感器模塊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目而相應(yīng)地減少網(wǎng)絡(luò)中測力傳感器的數(shù)目,通過調(diào)理電路與單片機外部中斷接口相連,有效擊打后對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)理電路工作并將采集到的信號通過不同地址的外部中斷接口傳給單片機[14],由此就可基本確定被擊打的區(qū)域。

6 結(jié)論

對比跆拳道電子護(hù)具的諸多優(yōu)缺點,提出了一種基于e-Touch壓電薄膜的搏擊比賽用測力傳感器,并以轉(zhuǎn)化方便、靈敏度高、輸出電壓比例好的電壓跟隨器作為其調(diào)理電路為后續(xù)AD轉(zhuǎn)換、通過標(biāo)定將輸出電壓與受沖擊力大小一一對應(yīng),為準(zhǔn)確計算作用力大小、持續(xù)時間、作用頻率做好準(zhǔn)備。根據(jù)賽事需要可制作不同形狀、厚度、耐沖擊力值的測力傳感器模塊,多個同樣規(guī)格的傳感器并聯(lián)連接組成模塊網(wǎng)絡(luò)與單片機不同地址的外部中斷接口相連亦可基本確定被擊打的區(qū)域。從而為電子護(hù)具的發(fā)展及推廣探出了一條新路。

[1] 趙紅衛(wèi). 跆拳道電子護(hù)具設(shè)計時應(yīng)注意的幾個問題[J]. 中國科技信息,2006(6):138.

[2]馬強,邢智. 電子護(hù)具對跆拳道項目的影響研究[J]. 電子測試,2013(9):205-206.

[3]聶彥平,毛琦波,張煒. 基于PVDF傳感器和工作曲率變形實現(xiàn)裂紋梁裂紋檢測[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(1):138-142.

[4]郭麗,高志紅,任文崗. 跆拳道比賽電子護(hù)具使用穩(wěn)定性的調(diào)查研究[J]. 河北體育學(xué)院學(xué)報,2011,25(6):56-60.

[5]王國力,趙子嬰,白金星. PVDF壓電薄膜脈搏傳感器的研制[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2004(4):688-692.

[6]Bruce Carter,Ron Mancini. Op Amps For Everyone[M]. 3版. 姚建清,譯. 北京:人民郵電出版社,2012:134-159.

[7]王昊,李昕. 集成運放應(yīng)用電路設(shè)計365例[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2007:30-67.

[8]姜春華,張溪原,崔偉. 基于PVDF與ARM CM3內(nèi)核的足底動態(tài)壓力測試系統(tǒng)[J]. 壓電與聲光,2013,4(2):279-286.

[9]Blakiewicz G. Output-Capacitorless Low-Dropout Regulator Using a Cascoded Flipped Voltage Follower[J]. IET Circuits Devices and Systems,2011,5(5):418-423.

[10]張安躍,唐志平,鄭航. PVDF壓力傳感器的沖擊壓電特性研究[J]. 實驗力學(xué),2009,24(6):244-250.

[11]聶典,丁偉. Multisim 10計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2009:24-80.

[12]Bu Nan,Tsukamoto,Junpei,et al. Measuring Muscle Movements for Human Interfaces Using a Flexible Piezoelectric Thin Film Sensor[J]. Personalized Healthcare through Technology,2008,16(6):112-116.

[13]馬戎,周王民,陳明. 基于傳感器陣列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣體檢測系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2004(3):395-398.

[14]宋念龍,李琦,張新雨,等. 基于紅外傳感器陣列的智能溫度傳感器研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(12):1713-1717.

賀偉(1966-),男,陜西西安人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和光電系統(tǒng)研究,hewei66@xupt.edu.cn;

雷挺(1989-),男,陜西寶雞人,研究生,研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用,wushenyeyu@163.com。

ResearchoftheFightingElectronicGearForceTransducerandItsControlCircuit*

HEWei1,LEITing1*,ZHAIShaohong2

(1.Communication and Information Engineering Institute,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China;2.Department of Martial Arts,Xi’an Physical Education University,Xi’an 710068,China)

By studying many advantages and disadvantages of the current taekwondo electronic protective gear,a kind of universal force sensor was designed,which is based on e-Touch piezoelectric film,without disturbance,interference,and according to the need it can be produced for different specifications of the different types of fighting game. After parallelled to the module network and connected with microcontroller,the universal sensor can realize to determine the hit area. The fast response and good following voltage follower is used as its conditioning circuit,and combined with calibration results the force size,duration,effect frequency are prepared to calculate. By force sensor module production,calibration,circuit simulation,the overall test,this kind of universal force sensor reaches requirements for the current tae kwon do electron protective gear.

fighting electronic protector;e-Touch piezoelectric film;force sensor;voltage follower;force sensor module network

項目來源:國家體育總局重點研究領(lǐng)域課題項目(2012B037)

2014-06-20修改日期:2014-08-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.015

TN70

:A

:1004-1699(2014)10-1382-05