新型服裝壓力測試裝置開發(fā)與數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

費(fèi)文昌　陳慰來

摘要：基于Flexiforce傳感器開發(fā)一種新型的服裝壓力測試系統(tǒng)。通過加載1 V的驅(qū)動(dòng)電壓和100 kΩ的參考電阻，并測量輸出電壓對(duì)Flexiforce傳感器與MCP6004四通道精密運(yùn)算放大電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。結(jié)果表明：在傳感器所受到的壓力載荷在量程范圍內(nèi)，F(xiàn)lexiforce傳感器與放大電路的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有很高的準(zhǔn)確度；輸出電壓與傳感器所受載重為線性擬合關(guān)系，其中擬合曲線決定系數(shù)R2為0.987 65；傳感器的電阻與所受載荷為非線性的反比例擬合關(guān)系，擬合曲線和實(shí)際測量數(shù)據(jù)曲線具有良好的吻合程度，因此服裝壓力測試系統(tǒng)具有很高的可行性。

關(guān)鍵詞：Flexiforce傳感器；服裝壓力；數(shù)據(jù)校準(zhǔn)；輸出電壓；載荷；擬合曲線

中圖分類號(hào)：TS103.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）05-0076-05

Abstract：A newtype clothing pressure testing device was developed on the basis of Flexiforce sensor. Data calibration was carried out by loading 1V drive voltage and 100 kΩ reference resistor and measuring the output voltage of the Flexiforce sensor and the MCP6004 fourchannel precision opamp circuit. The results show that the calibrated data of the Flexiforce sensor and amplifier is of high accuracy as long as the pressure load on the sensor is within the range limit； the output voltage has linear fitting relationship with the load on the sensor， of which determination coefficient R2 of the fitting curve is 0.987 65；the resistance of the sensor has nonlinear inverse fitting relationship with the load thereon. The fitting curve highly coincides with the measured data curve. Thus， the clothing pressure testing system is of high feasibility.

Key words：Flexiforce sensor； clothing pressure； data calibration； output voltage； load； fitting curve

人們對(duì)于服裝壓力帶有消極的看法，一直認(rèn)為服裝壓力會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良的影響，并由此都偏好極其寬松的服裝。但實(shí)際上適當(dāng)?shù)姆b壓力對(duì)于生理健康具有積極的作用，服裝壓力是服裝行業(yè)的一個(gè)重要研究課題，適度的服裝壓力對(duì)維護(hù)人體的健康、提高生活質(zhì)量有重要意義[1]。在一定的服裝壓力下，人體的靜脈血液循環(huán)明顯加快，褪黑激素明顯增加?，F(xiàn)階段，對(duì)于人體服裝壓力也越來越多的應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療等各個(gè)不同的領(lǐng)域。在適合的服裝壓力下，人體在運(yùn)動(dòng)過程中能極大的減輕疲勞、增強(qiáng)生理機(jī)能，滿足心理和生理上舒適的需要，在一定壓力緊度的醫(yī)用繃帶，不但有助于傷口的平穩(wěn)愈合，并且可以緩解因傷而留下的傷疤；一定壓力梯度的襪子，可以有效的防止靜脈曲張，更好促使腳部血液回流至心臟。其中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)皮膚受壓值為最大，其變化也為最大，因而對(duì)生理指標(biāo)的影響最為顯著，適當(dāng)?shù)姆b壓力可以增強(qiáng)人體運(yùn)動(dòng)活力，改善運(yùn)動(dòng)心理狀態(tài)[2]。但過度的壓力，特別是當(dāng)頸部受壓超過1.2 kPa時(shí)，會(huì)對(duì)人體的心率和血壓造成不良的影響，人體各項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)明顯下降。不同體形的人的不同部位以及人在不同狀態(tài)下對(duì)舒適服裝壓力的要求也各不相同[3]。

人體在穿上服裝以后，就會(huì)產(chǎn)生一定的服裝壓力，這種服裝壓力可以分為兩種形式，一種是由于服裝自身重量，而產(chǎn)生的對(duì)于人體的壓力；另一種是由于服裝在穿著的過程中由于與人體形態(tài)尺寸的差異而產(chǎn)生的形變而產(chǎn)生的對(duì)人體的壓力。在大多數(shù)情況下，特別是針織服裝，由服裝自身重量而產(chǎn)生的對(duì)人體的壓力往往很小，從而忽略不計(jì)，主要研究因服裝的彈性形變而對(duì)于人體的服裝壓力。服裝壓力的客觀測量法包括直接測量法和間接測量法[4]，傳統(tǒng)客觀測量服裝壓力的方法是先直接測量人體各個(gè)部位的服裝壓力值然后比較人體各部位服裝壓力與服裝款式及尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些方法雖然能夠得到一些人體各部位壓力與服裝款式及尺寸結(jié)構(gòu)之間的某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，但精確度并不高，并不能準(zhǔn)確的描述人體與服裝間存在的多方面復(fù)雜關(guān)系[5]?，F(xiàn)階段服裝壓力分布與預(yù)測的發(fā)展趨勢和方向大概分為服裝壓力分布預(yù)測模型和三維模擬顯示、服裝動(dòng)態(tài)壓力舒適性的研究、服裝機(jī)能與人體機(jī)能有機(jī)結(jié)合等方面進(jìn)行[6]。本文主要基于壓敏半導(dǎo)體材料Flexiforce為壓力測量傳感器來進(jìn)行新型的服裝壓力測試系統(tǒng)的開發(fā)，并通過對(duì)服裝壓力的實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的測量為服裝壓力分布與預(yù)測提供更加科學(xué)和合理的理論依據(jù)。

1服裝壓力客觀測量方法綜述

服裝壓力測試包括兩種方向，一種是客觀測試，主要依靠傳感器等儀器設(shè)備進(jìn)行客觀測試并得到客觀數(shù)值的服裝壓力值；另一種是主觀測試，主要是依靠人為的心理和生理感受來主觀判斷服裝壓力的大小松緊舒適程度。服裝壓力的快速、精確客觀測量，是研究服裝壓力大小對(duì)人體各項(xiàng)生理指標(biāo)影響的基礎(chǔ)，也是人體服裝壓力研究最為重要的部分。

1.1流體壓力測量方法

流體測量法是最直接也是最為簡單的測量方法。如圖1，其中橡膠球?yàn)楦袘?yīng)服裝壓力的感應(yīng)裝置，測量時(shí)將橡膠球放入需要測量的部位，橡膠球與皮膚的接觸面積大概為20 cm2，由于橡膠球的壓力變化，所以只需讀取玻璃管內(nèi)水銀柱高度的變化就可以得到所受壓力的變化。橡膠球在不受力時(shí)，水銀高度剛剛好指向零刻度線，所以只需要讀取水銀柱最終指向的刻度就可以得到皮膚所受的服裝壓力值。這種服裝壓力的測試方法直觀，原理簡單，成本相對(duì)低廉，儀器結(jié)構(gòu)較為簡單，但是測量過程中，由于橡膠球里面的空氣容易受到溫度的影響從而影響測量的真實(shí)結(jié)果，所以最終測量數(shù)據(jù)真實(shí)性有待考量，測量的部位也有一定的要求，這種流體測量裝置對(duì)于膝蓋、肘部等特殊部位無法進(jìn)行測量，并且無法在人體運(yùn)動(dòng)是測量。

1.2彈力光纖壓力測量方法

彈力光纖測試系統(tǒng)主要是利用彈力光纖在外部壓力的作用下，使裝置的外射光線的數(shù)量相對(duì)的進(jìn)行減少，通過光電二極管將減少的外射光線相對(duì)應(yīng)的變?yōu)殡娦盘?hào)，這樣成功的將外部的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘?hào)，且外部壓力與電信號(hào)的線性相關(guān)度高，如圖2。此測量裝置主要采用氦氖激光發(fā)生器來產(chǎn)生光源，由于光線的單色性好，且電信號(hào)的強(qiáng)度用電子伏特計(jì)數(shù)，彈力光纖的外力大小可通過測量逸出的關(guān)系數(shù)量來獲得[7]。所以此測試方法測量的靈敏度和準(zhǔn)確度很高，此裝置可以很好的與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，可以連續(xù)的動(dòng)態(tài)測量，適合服裝壓力的測試，但是裝置成本較高。

1.3電阻壓力測量方法

電阻壓力測量方法主要是利用電阻應(yīng)變片在一定壓力的作用下，應(yīng)變片的電阻會(huì)發(fā)生規(guī)律性的變化，通過將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化從而得到相應(yīng)的所受到的服裝壓力值。壓力的變化與電阻的變化線性相關(guān)度高。該測量裝置體積小，重量輕，測量精度高，測試結(jié)果非常穩(wěn)定，特別是現(xiàn)有的柔性織物應(yīng)變片壓力電阻傳感器具有非常穩(wěn)定的測量準(zhǔn)度。但測量成本較高，本文所用測量傳感器Flexiforce也是一種柔性電阻式傳感器。

2采用Flexiforce傳感器的新型服裝壓力的測量裝備

2.1Flexiforce壓力傳感器

Flexiforce是美國Tekscan公司研制的壓力傳感器，傳感器主要是將壓力信號(hào)可以通過傳感器電阻值的相關(guān)變化來進(jìn)行捕捉。Flexiforce是一種超薄柔性電阻式壓力傳感器，由于其有類似于織物般柔軟和紙張般厚度，可彎曲性能很好，所以在很多的環(huán)境中可以用來測量壓力的大小，與其他傳統(tǒng)的服裝壓力分布測試相比，F(xiàn)lexiforce壓力傳感器厚度小，韌度好，F(xiàn)lexiforce有很好的壓力與電阻的線性相關(guān)性能[8]。傳感器的有效傳感區(qū)域?yàn)橹睆綖?.53 mm的圓，F(xiàn)lexiforce壓力傳感器是由兩層襯底組成，襯底采用聚酯纖維薄膜制作，里面主要采用對(duì)壓力敏感的墨水作為壓力感應(yīng)裝置，用銀做導(dǎo)電材料。Flexiforce傳感器尾端共有3個(gè)接頭，只有兩邊的輸出線是可以工作的。Flexiforce傳感器的用途很廣，包括醫(yī)療用測試牙齒咬合力，老人監(jiān)護(hù)報(bào)警系統(tǒng)等；在工業(yè)上也運(yùn)用很廣泛，包括拖車剎車系統(tǒng)監(jiān)控，電腦芯片和自動(dòng)化生產(chǎn)等等可以廣泛的監(jiān)控壓力或者受力情況。Flexiforce的量程不同，功能也不相同，本文所用服裝壓力測量系統(tǒng)所用型號(hào)為Sensor A201，其量程為0～4.4 N。其中傳感器的規(guī)格如表1所示。

2.2新型服裝壓力測試的工作原理

由于本文主要利用Flexiforce壓力傳感器測量人體的服裝壓力，所用傳感器量程為0～4.4 N，即最大的量程為4.4 N，傳感器在不受外力的作用下，其電阻為5 MΩ以上，在滿量程4.4 N的外力作用下，電阻的單位也是MΩ級(jí)別。在如此大的電阻下，傳感器無法直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)無法得到準(zhǔn)確的處理，并且數(shù)據(jù)的精度不高，因此，必須使用放大電路對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行放大。本文所用放大器為MCP6004四通道精密運(yùn)算放大電路，傳感器與放大電路圖的連接圖如下圖3所示。

圖3中，Rs是Flexiforce傳感器的可變電阻，電阻隨著傳感器所受外界的壓力的變化而變化。VT為1 V的驅(qū)動(dòng)電壓。RF是參考電阻，可以改變其電阻大小，可對(duì)應(yīng)改變壓力測試系統(tǒng)的靈敏度。MCP 6004為四通道精密運(yùn)算放大電路，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V。該電路圖基于傳感器電阻和固定參考電阻使用反向運(yùn)算放大器裝置來產(chǎn)生模擬輸出。其中：Vout=VT*（RF/RS），由此也可知，VoutVT=RFRS，即輸出電壓與驅(qū)動(dòng)電壓之間的比值等于參考電阻與傳感器電阻之間的比值。由于驅(qū)動(dòng)電壓與參考電阻為測量變量，可以調(diào)節(jié)參考電阻和驅(qū)動(dòng)電壓來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。

2.3數(shù)據(jù)校準(zhǔn)及測試

在此測量系統(tǒng)中，為了保證電路的線性度和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，需要對(duì)測試的電路進(jìn)行校準(zhǔn)和電路的靜態(tài)標(biāo)定。通過對(duì)傳感器反復(fù)循環(huán)加載重量不超過量程的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，并通過測量Vout，得到Flexiforce傳感器相應(yīng)的電阻值，驗(yàn)證測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測量數(shù)據(jù)如表2所示，其中，當(dāng)傳感器不加載電阻時(shí)，傳感器的電阻大于5 MΩ，測試時(shí)不考慮傳感器在不加載電阻的情況。Vout用數(shù)字萬用表進(jìn)行測量，其中參考電壓RF的電阻值越大，此處采用100 kΩ的參考電壓。

2.4數(shù)據(jù)采集與處理

輸出電壓模擬信號(hào)的采集與處理主要通過A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)來完成，數(shù)據(jù)采集的核心器件是A/D轉(zhuǎn)換器[9]，本系統(tǒng)主要采用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位分辨率、雙通道ADC0832型號(hào)A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADC0832轉(zhuǎn)換器具有較好的采樣率、分辨率和精度，為雙數(shù)據(jù)輸出，并作為數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)換速度快，且準(zhǔn)確率較高。輸出電壓模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在經(jīng)單片機(jī)處理后變可將輸出電壓變?yōu)閭鞲衅鞯妮d重即服裝壓力值。本系統(tǒng)主要采用可編程可擦除只讀存儲(chǔ)的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器AT89C51型單片機(jī)。AT89C51型單片機(jī)一共有40個(gè)引腳，單片機(jī)主要是通過串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，串行通信接口簡單，所需要的傳輸線少，且適合遠(yuǎn)程通信。單片機(jī)主要采用I2C總線，I2C總線可以之間和具有I2C接口的單片機(jī)進(jìn)行通信，也可以和各種類型的外圍設(shè)備器件進(jìn)行通訊。I2C采用兩線制，包括數(shù)據(jù)線SAD和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成，最后測量數(shù)據(jù)在LED上顯示。

3結(jié)語

本文主要基于Flexiforce壓力傳感器設(shè)計(jì)并開發(fā)出的一種新型的服裝壓力測試裝置，F(xiàn)lexiforce壓力傳感器一種超薄柔性電阻式壓力傳感器，彎曲性能好，適用于各個(gè)部位的服裝壓力測量。通過對(duì)Flexiforce壓力傳感器加載一定梯度的載荷，并測量Flexiforce傳感器與放大電路的輸出電壓來校準(zhǔn)壓力測試裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。結(jié)果表明，在傳感器所受到的壓力載荷在量程范圍內(nèi)，F(xiàn)lexiforce傳感器與放大電路的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有很高的準(zhǔn)確度，服裝壓力測試裝置具有良好的可行性。該服裝壓力測試裝置與傳統(tǒng)的服裝壓力測試裝置相比具有更好的可操作性和成本優(yōu)勢，可通過對(duì)人體各個(gè)部位服裝壓力更加快速和準(zhǔn)確的客觀測量，可為人體各個(gè)部位服裝壓力的分布與預(yù)測提供更加科學(xué)和合理的理論依據(jù)，也可為服裝壓力的舒適性研究提供可靠的技術(shù)支持。

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（責(zé)任編輯：陳和榜）