一种用于智能鞋的压力传感方法和装置与流程

本发明涉及压力传感器领域，尤其是一种用于智能鞋的压力传感方法和装置。

背景技术

随着技术发展，嵌入式处理器及微型传感器在体积，功耗等方面均显著减少。近年推出的一些微型传感器不仅具有多种工作模式和很低的典型功耗，这些微传感器在特定的工作模式下的工作电流甚至可以低至数微安到数百微安不等。目前的压力传感器一般采用具有压阻效应、压电效应或静电容量随压力变化而变化的复合材料制成其表压传感的核心组件，并通过外围电路对压力信号进行变送。

压电效应是采用受压情况下会产生电流的材料，例如压电陶瓷，这类传感器工作时不需要为力敏元件本身提供能量，功耗较低，但压电陶瓷使用寿命较短(一般是几万次到几十万次)，且对机械冲击的耐受能力不理想，如果用在智能鞋(智能鞋是指安装有传感器和通信装置的鞋)这样的高频测量场景中，容易损坏，可靠性低。

静电容量型传感器功耗较低，但其力敏元件采用了薄膜结构，对机械冲击的耐受能力同样不够理想，如果用在智能鞋这样的测量场景中，同样存在容易损坏，可靠性低的问题。

压阻效应利用的是材料电阻与压力间的相关关系，典型设计是采用电桥放大器电阻变化的效应并通过高精度模数转换对其进行采集。其中性能比较优秀的是半导体压力应变片，半导体压力应变片虽然功耗较小，但成本较高。

综上所述，市面上需要一种可靠且成本低的压力传感方案。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种可靠且成本低的用于智能鞋的压力传感方法和装置。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种用于智能鞋的压力传感方法，包括以下步骤：

处理器获取鞋底落地瞬间传感器的输出电压或者输出电流；

处理器根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度；

处理器根据鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度得到鞋底落地瞬间传感器的测量对象受到的压力；

所述传感器包括管状轨道、磁体和线圈，所述管状轨道两端设有缓冲组件，所述磁体安装在管状轨道内，所述线圈固定缠绕在管状轨道外，所述线圈的输出端与处理器的输入端连接，所述传感器安装在鞋底中。

进一步，管状轨道的长度方向与鞋底的长度方向平行或者形成一个小于10°的夹角。

进一步，所述处理器根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度这一步骤具体包括：

处理器根据输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度；

处理器根据鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度以及鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角得到传感器在垂直水平面的方向上的加速度；

传感器自身的长度方向是指管状轨道的长度方向，鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角是指鞋底落地瞬间管状轨道的长度方向与水平面形成的夹角。

进一步，所述处理器还连接有陀螺仪，所述鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角由陀螺仪测定。

进一步，所述传感器的测量对象受到的压力f的表达式为：

f＝a*sinθ*i²或者f＝b*sinθ*u²；

其中，i表示鞋底落地瞬间传感器的输出电流，u表示鞋底落地瞬间传感器的输出电压，a和b均为常数，θ表示鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角。

一种用于智能鞋的压力传感装置，包括：

传感器，用于采集鞋底落地瞬间测量对象受到的压力并产生输出电压或者输出电流；

处理器，用于根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度；以及用于根据鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度得到鞋底落地瞬间传感器的测量对象受到的压力；

所述传感器包括管状轨道、磁体和线圈，所述管状轨道两端设有缓冲组件，所述磁体安装在管状轨道内，所述线圈固定缠绕在管状轨道外，所述线圈的输出端与处理器的输入端连接，所述传感器安装在鞋底中。

进一步，所述管状轨道的长度方向与鞋底的长度方向平行或者形成一个小于10°的夹角。

进一步，所述根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度具体包括：

根据输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度；

根据鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度以及鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角得到传感器在垂直水平面的方向上的加速度；

传感器自身的长度方向是指管状轨道的长度方向，鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角是指鞋底落地瞬间管状轨道的长度方向与水平面形成的夹角。

进一步，所述处理器还连接有陀螺仪，所述鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角由陀螺仪测定。

进一步，所述传感器的测量对象受到的压力f的表达式为：

f＝a*sinθ*i²或者f＝b*sinθ*u²；

其中，i表示鞋底落地瞬间传感器的输出电流，u表示鞋底落地瞬间传感器的输出电压，a和b均为常数，θ表示鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角。

本发明的有益效果是：本发明通过传感器测量测量对象在垂直于水平面的方向上的加速度来计算测量对象所受到的压力，而其中涉及的传感器仅由管状轨道、缓冲组件、线圈和磁体组成，因而本发明的制造成本低，并且本发明的传感器结构简单并且未采用易损部件，能够提升传感器的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种用于智能鞋的压力传感方法的流程图；

图2为本发明一种具体实施例中传感器的结构示意图；

图3为本发明一种具体实施例中传感器在鞋底中的安装结构示意图；

图4为本发明一种具体实施例的用于智能鞋的压力传感方法的流程图；

图5为本发明传感器的受力计算原理的示意图。

具体实施方式

参照图1，一种用于智能鞋的压力传感方法，包括以下步骤：

处理器获取鞋底落地瞬间传感器的输出电压或者输出电流；

处理器根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度；

处理器根据鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度得到鞋底落地瞬间传感器的测量对象受到的压力；

所述传感器包括管状轨道、磁体和线圈，所述管状轨道两端设有缓冲组件，所述磁体安装在管状轨道内，所述线圈固定缠绕在管状轨道外，所述线圈的输出端与处理器的输入端连接，所述传感器安装在鞋底中。

进一步作为优选的实施方式，管状轨道的长度方向与鞋底的长度方向平行或者形成一个小于10°的夹角。

进一步作为优选的实施方式，所述处理器根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度这一步骤具体包括：

处理器根据输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度；

处理器根据鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度以及鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角得到传感器在垂直水平面的方向上的加速度；

传感器自身的长度方向是指管状轨道的长度方向，鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角是指鞋底落地瞬间管状轨道的长度方向与水平面形成的夹角。

进一步作为优选的实施方式，所述处理器还连接有陀螺仪，所述鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角由陀螺仪测定。

进一步作为优选的实施方式，所述传感器的测量对象受到的压力f的表达式为：

f＝a*sinθ*i²或者f＝b*sinθ*u²；

其中，i表示鞋底落地瞬间传感器的输出电流，u表示鞋底落地瞬间传感器的输出电压，a和b均为常数，θ表示鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角。

用于实现图1所示方法的一种用于智能鞋的压力传感装置，包括：

传感器，用于采集鞋底落地瞬间测量对象受到的压力并产生输出电压或者输出电流；

处理器，用于根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度；以及用于根据鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度得到鞋底落地瞬间传感器的测量对象受到的压力；

所述传感器包括管状轨道、磁体和线圈，所述管状轨道两端设有缓冲组件，所述磁体安装在管状轨道内，所述线圈固定缠绕在管状轨道外，所述线圈的输出端与处理器的输入端连接，所述传感器安装在鞋底中。

进一步作为优选的实施方式，所述管状轨道的长度方向与鞋底的长度方向平行或者形成一个小于10°的夹角。

进一步作为优选的实施方式，所述根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度具体包括：

根据输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度；

根据鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度以及鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角得到传感器在垂直水平面的方向上的加速度；

传感器自身的长度方向是指管状轨道的长度方向，鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角是指鞋底落地瞬间管状轨道的长度方向与水平面形成的夹角。

进一步作为优选的实施方式，所述处理器还连接有陀螺仪，所述鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角由陀螺仪测定。

进一步作为优选的实施方式，所述传感器的测量对象受到的压力f的表达式为：

f＝a*sinθ*i²或者f＝b*sinθ*u²；

其中，i表示鞋底落地瞬间传感器的输出电流，u表示鞋底落地瞬间传感器的输出电压，a和b均为常数，θ表示鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角。

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例的一种用于智能鞋的压力传感方法中所涉及的传感器的结构如图2所示，该传感器包括管状轨道100、磁体200和线圈300，所述管状轨道100两端设有缓冲组件400，所述管状轨道100和磁体200均为圆柱形。所述磁体200可以在管状轨道100内来回滑动，所述管状轨道100和磁体200的长度方向均指圆柱形的高的方向。所述磁体200安装在管状轨道100内，所述线圈300固定缠绕在管状轨道100外。其中，管状轨道100内可以设置光滑的镀层，以减少磁体200的滑动阻力。为了提升传感器的反应灵敏度，磁体200可以采用钕铁硼强磁制作。线圈300可以根据设计需要设置匝数。在管状轨道的两端(即x端和y端)的内侧均设有缓冲组件400，可以吸收磁体200的撞击力，以避免磁体由于长期撞击管状轨道两端而碎裂，缓冲组件400能够有效提升磁体的寿命。

参照图3，在实施本实施例的方法时，可以将若干个图2所示的传感器m02安装在鞋底m01中。其中，管状轨道的长度方向(即传感器的长度方向)与鞋底m01的长度方向平行或者形成一个小于10°的夹角。鞋底的长度方向可以定义为鞋底水平放置在地面时，鞋底在水平面上的投影中相距最远的两点连线的方向(从鞋跟到鞋头或者从鞋头到鞋跟的方向均可)。传感器m02的数量可以有多个，用于测量鞋底不同位置的压力。

参照图4，本实施例一种用于智能鞋的压力传感方法包括以下步骤：

a、处理器获取鞋底落地瞬间传感器的输出电压或者输出电流；

b、处理器根据获取的输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度；

其中步骤b包括步骤b1和b2：

b1、处理器根据输出电压或者输出电流计算鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度；

b2、处理器根据鞋底落地瞬间传感器在自身的长度方向上的加速度以及鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角得到传感器在垂直水平面的方向上的加速度；

传感器自身的长度方向是指管状轨道的长度方向，鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角是指鞋底落地瞬间管状轨道的长度方向与水平面形成的夹角。

c、处理器根据鞋底落地瞬间传感器在与水平面垂直的方向上的加速度得到鞋底落地瞬间传感器的测量对象受到的压力；

所述传感器的测量对象受到的压力f的表达式为：

f＝a*sinθ*i²或者f＝b*sinθ*u²；

其中，i表示鞋底落地瞬间传感器的输出电流，u表示鞋底落地瞬间传感器的输出电压，a和b均为常数，θ表示鞋底落地瞬间传感器与水平面形成的夹角。

对于本实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本实施例的工作原理如下：

参照图2，由于传感器近似水平或者水平地安装在鞋底中，即管状轨道100近似水平或者水平地安装在鞋底中，并且管状轨道100与人的行走方向近似平行。而在人行走时，每一步从抬腿到落脚会经历一个加速再到突然减速的过程，并且人在落脚时，往往会与地面形成一个倾角。那么只要能够求算出鞋底落地瞬间传感器在长度方向上的瞬间撞击力后，便可以通过测量鞋底落地瞬间传感器与水平面之间的倾角来得到该瞬间撞击力在与水平面垂直方向上的分量(即测量对象受到的压力)。假设管状轨道100的x端靠近鞋头，y端靠近鞋跟，那么当人抬脚时，人对鞋施加向前的加速度，而磁体200由于与管状轨道100之间摩擦力较小，那么磁体200在惯性的作用下会滑到y端。而在落脚前，管状轨道100与磁体200之间保持相同的速度，两者之间没有相对运动，因此不会产生电压和电流。而在落脚时，管状轨道100的速度会瞬间衰减为0，而磁体200会保持原来的速度。随后磁体200与管状轨道100会发生相对运动，线圈300中会产生感应电压和电流，然后磁体200会在x端发生撞击。由于本实施例的传感器是嵌入鞋底的微型传感器，因此，管状轨道100的长度很短，此时，磁体200运动过程所需要的时间与管状轨道100的速度衰减为0所需要的时间是接近的，此处可以假设两者相同。基于上述假设，可以计算出管状轨道100减速瞬间的加速度。具体的推算过程如下：

首先，根据传感器的输出电压u与磁场变化的关系得到公式(1)：

其中，n为线圈的匝数，δφ＝φ1-φ2，φ1和φ2分别表示将磁体置于管状轨道的y端时，测得y端和x端的磁感应强度b1和b2与管状轨道面积s的比值，即b1、b2和s的数值均可以在设计传感器时获得，因此可以得知δφ。

由公式(1)可以得到公式(2)：

由于鞋底落地瞬间，磁体可以y端滑动到x端。故磁体的行程d＝l1-l2，其中，l1为管状轨道的长度，l2为磁体的长度。

故此，鞋底落地瞬间磁体的速度v可以表示为公式(3)：

将公式(2)代入到公式(3)得到公式(4)：

而根据加速度的定义a＝v/t和公式(4)，可以得到公式(5)：

其中，a表示磁体在鞋底落地瞬间磁体在管状轨道的长度方向上的加速度，由于此前假设磁体运动过程所需要的时间与管状轨道的速度衰减为0所需要的时间相同，因此a的大小也可以表示管状轨道的加速度大小。

在求得管状轨道的加速度大小以后，可以根据牛顿第二定律，得到传感器(即管状轨道)在鞋底落地瞬间在其长度方向上的瞬间撞击力f0。

m表示测量对象的质量，m可以在设计时通过测量得到。

参照图4，当获取到瞬间撞击力f0后，可以根据在鞋底落地瞬间测量得到的传感器m02的长度方向与水平面之间的夹角θ得到传感器在与水平面垂直的方向上的分力f(即测量对象受到的压力)。而f的表达式为：由于可以在产品设计时测得，因此可以用常数b代替，最终得到f＝b*sinθ*u²。同理，可以通过欧姆定律得到f＝a*sinθ*i²，其中，r表示采样电阻的阻值。

而在实际应用中，本领域技术人员，可以对上述常数a或者常数b进行修正，使之能够适应现实情况。

参照图5，本实施例提供了一种用于智能鞋的传感装置，其包括处理器、传感器和陀螺仪。所述处理器的输入端与传感器和陀螺仪连接。所述处理器、传感器和陀螺仪配合执行如图4所示的方法。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。