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人体压力分布测量及其传感技术

第18卷　第2期2005年6月

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.18　No.2Jun.2005

PressureMappingSystemanditsSensorTechnology

ZhUANGYan2zi,CAIPing,ZHOUZhi2feng,YINLiang2yong

（ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China

Abstract:

PressureMappingSystemisavisualtoolformeasuringinterfacepressuresthatoccurbetweenpa2tientsandtheircontactsurfaces.Thepaperdescribedthegeneralstructureofthesystemanditssensortechnology.Theyarecapacitivesensor,resistivesensorwhichismadeofresistiveink,piezoresistivesensor,andetc.Threetypicalpressuremappingsystemsareconsulted,whichare,Xsensor,TekscanandFSA;Atthesametime,itdiscussestheirmaincharacteristicswiththeadvantagesanddisadvantages,andcomparestheirmainperformance.Lastly,thispaperintroducesaself2designedpressuremappingsystem,andputsforwardthetestingresultsbasedonthissystem.

Keywords:

pressuremapping;pressuresensor;measurement;resistiveinkEEACC:

7230

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　200030

收稿日期:

2004209220

摘　要:

体压分布测量系统是测试病人坐卧时,人体与接触面之间压力的可视化工具。

介绍了人体压力分布测量系统的一

般结构,对其关键点———传感器技术作了较为详细的叙述。

它们分别是电容式压力传感器;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,Xsensor、Tekscan和FSA;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:

TP212.9　　文献标识码:

A　　文章编号:

100529490（2005022*******　　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64亿美元[1]。

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。

1　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

布[2,3]。

1.1　几种典型的压力分布测量用传感技术

电容式传感器是利用两个带电体作为电极构成电容器,在被测参数作用下引起电容值变化的一种测量装置。

此种传感器的结构形式较多,其中应用较多的是平行板电容器。

图1为XSENSOR研制的垫面状电容式压力传感器的横截面示意图。

它共有七个层次,第一、七层为表面织物层;二、四、六层为碳浸渍硅胶层作为电极,每层厚0.16cm;三、五层为聚亚氨酯泡沫橡胶,层厚0.16cm。

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1　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。

图2为美国产INTERLINK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2　INTERLINK传感器

该传感器仅有0.25mm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10~100MΩ。

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[5]。

图3是其工作原理图。

在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体,如图3（a所示,如果对这一电阻体施加压力,由于压电电阻效应,其电阻值将发生变化。

受到应变的部分,即膜片由于容易感压而变薄,如图3（b所示,当向空腔部分加上一定的压力时,膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。

压电电阻的排列方法如图3（c所示,受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加;受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。

这4个电阻连接成电桥的形式,如图3（d所示,其电压输出为:

V=

E2R（R+ΔR-E2R

（

R-ΔR

　　即　　　　　V=E

ΔR

R其中,E—电源电压,ΔR

R

—电阻变化率

413传　感　技　术　学　报2005年

该传感器的优点是薄,舒适耐用,但是分辨率和

精度却不理想[6]

。

图3　压电电阻传感器工作原理

导电橡胶压力传感器。

导电橡胶是一种新型材

料,它通常由硅橡胶填以镍或是碳黑组成。

如果填料的浓度超出了某一个初始值（称为浸透值,就会形成导电粒子网络,同时合成聚合体的阻值由1012Ω/cm下降到10Ω/cm;如果外加压力施加于填料浓度接近于浸透值的合成聚合体上,那么附加的导电网络就会使得阻值大大减小。

这种特性使得导电橡胶合成物可以被用作压力传感器。

过去,这种材料主要有两大限制:

一是电特性不够稳定,阻值不仅仅取决于压力值,还跟压力的历史值有关;二是不耐用。

而今,混合法取得了长足进展,使得导电橡胶材料的研究有望突破,不过大多数公司的研发方向主要集中在开-关型应用上[7,8]。

日本富士公司研制的压敏片（FUJIPrescaleFilm能通过颜色的深浅直观地反映接触区域的压力分布情况,已经在足压测量等多方面应用。

它具有厚度薄、可被任意裁减、使用简单、价格低廉等特点,但是每片只能使用一次,不能重复使用。

另外压敏片虽然可以以人眼方便的粗判读,但是要做到精判读,就要借助于富士公司生产的浓度计及压力转换计,或是扫描仪同计算机建立图形分析系统[9]。

1.2　影响传感器精度的主要因素

同一般硬性压力传感器相比,用于人体压力分布测量的薄软压力传感器,大多都有一个重要局限:

滞后影响严重。

滞后是表征传感器正向（输入量增大和反向（输入量减小行程间输出-输入特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值△Hmax与满量程输出F・S的百分比表示,即:

eH=△Hmax

F・S

×100%

　　一般而言,这些薄软压力传感器的eH≈5%。

滞后性是由这类传感器所用的聚合物材料引起的。

聚合物材料具有弹性特性,一方面这个特性使得传感器变得柔软,可另一方面这也是引起滞后的重要原因。

对于这类传感器而言,如何校准是个非常重要的问题。

因为传感器数量众多,按传统的对单个传感器校准的方式相当繁琐;又由于传感器的稳定性、滞后性以及其他参量的交叉灵敏度（温度、湿度、磁场等的影响,使得这类系统需要经常校准（一般一年几次,这样才能保证系统精度。

通常,本系统都要配套特定的校准工具,它具有压力基准值,并能一次对所有的传感器进行校准。

如FSA的压力校准工具[10]。

计算机是本系统的组成部分之一,所以可以通过软件使得传感器“智能化”。

例如,通过好的软件算法可对传感器的滞后性进行补偿;每次使用这类系统时,可用软件的方式,将未受人体压力的初始压力值标零,从而达到对交叉灵敏度进行补偿的目的[11]。

2　人体压力分布测量的参照分析

2.1　Xsensor

ROHO公司的Xsensor压力测量系统,是采用

电容传感技术,来测量人体在不同支持面上所受之表面压力。

该系统可应用于多种领域,如床垫轮椅的设计与测试、科学分析、表面舒适度优化以及预防压力病痛等。

Xsensor有多种尺寸的垫面供选择,最大尺寸

为80cm×200cm,包含10,240个传感点。

每平方英寸安置4个传感点。

扫描速率每秒可达10,000~70,000个传感点。

整个系统的绝对精度为±10%或是10mmHg[10]。

2.2　Tekscan

Tekscan压力分布测量系统的独特之处在于其

专利技术———柔性薄膜网格状触觉压力传感器。

这种传感器厚度仅为0.1mm,且柔性很好,因而为测量各种接触面之间的压力创造了更好的条件。

标准的Tekscan压力传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成,其中一片薄膜内表面铺设若干行、另一片薄膜内

5

13第2期庄燕子,蔡　萍等:

人体压力分布测量及其传感技术

表面铺设若干列的带状导体。

导体本身的宽度以及导体之间距离可以根据不同的测量需要而设计。

导体外表涂有特殊的电阻油墨涂层。

当两片薄膜合为一体时,这些横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力传感点阵列,呈网格状。

当外力作用到传感点上时,半导体的阻值会随外力成比例变化,压力为零时,阻值最大,压力越大,阻值越小。

传感器内导体的宽度、间距决定了每单位面积内传感点的数量,即空间分辨率。

不同的传感器面积和空间分辨率可满足各种不同的测量要求。

例如,用于座椅压力分布研究的传感器每片有2000个传感点,空间分辨率为1个传感点/cm2;还有最大空间分辨率达248个传感点/cm2的产品。

传感器有不同的形状和规格,压力测量范围为0-175Mpa,数据采集速率为127Hz~10kHz,精度为±5%。

如果测量面积较大,一个传感器不能覆盖时,可选择Tekscan的虚拟系统结构（VSA,即使用多个传感器（最多12个的组合[12]。

2.3　FSA

加拿大VistaMedical公司的FSA（ForceSensingArray压力测试系统,采用了压电电阻压力传感技术。

FSA系统的垫面厚度仅为0.36mm。

另外它受温度和湿度的影响都很小,其工作环境为:

温度15℃~32℃,湿度0~100%。

该系统可靠性,重复性好,持久耐用。

其精度为±10%,其中2%由滞后引起;8%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[10]。

3　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。

3.1　系统组成

如图4所示,人体坐压分布测量系统主要由三部分组成:

①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;

②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;

③计算机及其专用软件。

这部分的功能是实现压力的可视化输出,并进行相关的数据统计

。

图4　系统组成

3.2　实测结果

图5、6、7、8是本系统对甲乙两人分别坐在不同座椅上实测的输出图形

。

图5　

甲坐于软椅

图6　

甲坐于硬椅

图7　乙坐于软椅

613传　感　技　术　学　报2005年

图8　乙坐于硬椅

受试者甲:

身高175cm,体重80kg,男性;

受试者乙:

身高183cm,体重65kg,男性;

座椅A:

木制平板凳;

座椅B:

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。

4　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10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[13]。

华中科技大学的足底压力分布测量系统[14]等。

尽管如此,人体压力分布测量系统已进入临床、康复、工业等领域,随着传感技术、遥测遥控技术、电子技术及计算机技术的发展,压力映射系统会向着高性能、低价格、远程化、自动化程度更高的方向发展,进而成为医疗、康复、体育等的常规化设备,也会成为床垫、轮椅、汽车驾驶座椅等制造行业进行新产品研发的必备用具。

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