一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器及方法与流程

本发明属于一种电容式压力传感器，具体涉及一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器及方法，属于智能可穿戴领域。

背景技术：

人体下肢疾病康复过程和各类运动鞋研发需要足部详尽的各类数据，通过足底压力分布、大小状况和动态变化测量结果，可推测下肢受力情况，量化脚底压力分布状况，测量人体运动行程，以及评估足部、腿部疾病，外科手术后期康复效果等有重要的应用价值。因此，足底实时压力状况，既能为医务人员提供可靠的依据，又能为患者健康监测提供参考，还能为鞋类研发等应用领域提供科学、准确的数据。

传统足部压力传感器一般采用电阻式、压电材料等，应用光学、机械等方式，经过复杂的数据采集和分析系统测量足底压力的空间分布，进行步态分析等。电阻式应变片、压电材料等属于硬质传感器，硬度较大，舒适度较差，且不宜加工为各种形状；其次，以上材料不透明，测量过程中很难观测到足部的变形；再次，硬质传感器外面通常需覆盖一层弹性物质起保护作用，具有附加刚度和阻尼，对压力值的测量有一定影响。目前多数产品都是通过手腕处传感，或者采用脚部外接电源式传感，这类传感器测量的数据受外界干扰因素较大或设备复杂，因此，由此获得的人体数据可信度低，精度不高，或极不方便可靠。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器及方法，本发明采用了柔软、透明的凝胶材料作为电解质制作压力传感器，并采用蓝牙发送实时数据，通过手机蓝牙接收，应用程序处理后可以准确测量足底压力二维分布和动态变化，并可以观察足部的变形，传感器鞋垫部分柔软、透明、易加工、厚度小，测量精度高等优良特性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器，包括中间绝缘介质3，粘接于中间绝缘介质3上层的上层离子凝胶阵列2和下层的下层离子凝胶阵列4；上层离子凝胶阵列2的上表面粘贴一层上层绝缘介质1，下层离子凝胶阵列4的下表面粘贴一层下层绝缘介质5；金属电极6粘贴于上层绝缘介质1与上层离子凝胶阵列2的连接处以及下层绝缘介质5与下层离子凝胶阵列4的连接处；纽扣电池8、控制采集模块9和蓝牙模块10集成在电路板11上，通过导线7连接金属电极6，纽扣电池8为上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4供电。

所述上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4采用柔软、透明的PVA凝胶；上层绝缘介质1、中间绝缘介质3、下层绝缘介质5采用柔软、透明的硅胶。

所述上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4由六边形离子凝胶单元组成，厚度为微米量级；所述上层绝缘介质1、中间绝缘介质3和下层绝缘介质5的厚度为微米量级。

每个所述六边形离子凝胶单元由单独电路连接，最后合成一条总线连接控制采集模块9，通过测量每个六边形离子凝胶单元的的信号，反映足部实时的压力分布情况。

在有测量精度要求时，减小上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4的六边形离子凝胶单元的尺寸，增加总体六边形离子凝胶单元数量，或在压力大的部位增加六边形离子凝胶单元数量。

所述电路板11上布置DC/AC电路将纽扣电池8的直流电信号转化为交流电信号，给离子凝胶供电，避免材料特性改变。

所述金属电极6与上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4形成电子-离子混合电流回路传递电信号；由于电压降大都发生在中间绝缘介质3上，金属电极-电解质交界面的双电层处电压降远小于1V，离子凝胶不会发生电化学反应，因此，能够采用低电压纽扣电池8供电。

所述电路板11集成控制采集模块9、蓝牙模块10和纽扣电池8安装于鞋帮根部。

一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器测量足底压力及动态变化的方法，在交流电供电时，上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4的离子凝胶单元的金属电极-离子凝胶界面产生两个双电层，电容为Cd_i，与中间绝缘介质电容Cs_i串联；金属电极和离子凝胶中的电荷分布距离是纳米量级，中间绝缘介质上下表面的电荷分布距离是微米量级，估计Cd_i/Cs_i≥10⁵，因此测得电容中间绝缘介质3的厚度为d，与离子凝胶单元接触面积为s，在初始状态下电容值为ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；设弹性体变形后体积不变，在足底压力作用下，绝缘介质长度被拉伸为λ倍，厚度会被压缩为倍，面积被拉伸为λ²倍，则受压后的电容值为C_i＝λ⁴Cs_i0；控制采集模块9打开控制开关测得某个电容信号C_i或全部电容信号对应的电压信号U_i，由蓝牙模块10发送到手机，通过计算得到足底各部分压力P_i和总压力P，P_i＝kU_i；k为压力与电压的比例系数；某个离子凝胶单元的动态电容信号对应的电压信号U_i(t)峰峰值之间的间隔t即为步幅周期或跳跃周期，一定时间T内的步数或起跳次数

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用离子凝胶和绝缘介质制作电容传感器，具有柔软、舒适、轻薄、易加工的优点，还可以观察到足部的变形情况。

2、本发明所采用的离子凝胶厚度可以加工到微米(μm)量级，且附加刚度、阻尼很小，所以对足底压力测量精度的影响很小。

3、本发明所采用的离子凝胶以单元阵列形式制作为鞋垫样式粘贴于绝缘介质，离子凝胶单元为正六边形，每个单元彼此绝缘，处于并联状态，由程序编号，根据测量精度要求可以设计离子凝胶单元的大小和数量。

4、本发明在测量中由低电压纽扣电池经过调理电路供交流电，通过并联电路给离子凝胶阵列单元供电，双电层处电压降远小于1V，因此，离子凝胶特性不会改变，也不会发生电化学反应。此外，在多次测量后，压力与电容的关系曲线只有很小的偏差，所以具有良好的重复测量精度。

5、本发明所采用小型电路板集成控制采集模块、蓝牙模块和纽扣电池安装于鞋帮根部，可将实时数据发送到手机等移动设备上，在通过应用程序处理，可以方便、快捷地测量和评估被测者的状况。

6、本发明所布置的离子凝胶每个单元由单独电路连接，最后合成一条总线连接控制采集模块，测量每个单元的的信号，通过移动端程序的云图显示直接反映足部实时的压力分布情况。

7、本发明所测量的离子凝胶某个单元的动态信号，通过移动端应用程序的时域曲线可反映被测者的步态情况，如体重大小，步幅周期，路程估计等。

附图说明

图1为本发明凝胶薄膜电容传感器的结构示意图。

图2为本发明凝胶薄膜的单元阵列示和电路示意图。

图3为本发明双电层时凝胶薄膜电容传感器的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器，包括中间绝缘介质3，粘接于中间绝缘介质3上层的上层离子凝胶阵列2和下层的下层离子凝胶阵列4；所述上层离子凝胶阵列2、中间绝缘介质3和下层离子凝胶4形成电容器阵列；离子凝胶阵列2的上表面粘贴一层上层绝缘介质1，下层离子凝胶阵列4的下表面粘贴一层下层绝缘介质5；上层绝缘介质1、中间绝缘介质3、下层绝缘介质5和上层离子凝胶阵列2、上层离子凝胶阵列4均加工为鞋垫形状；金属电极6粘贴于上层绝缘介质1与上层离子凝胶阵列2的连接处以及下层绝缘介质5和下层离子凝胶阵列4的连接处，金属电极6与上层离子凝胶阵列2、下层凝胶阵列4形成电子-离子凝胶混合电流回路；纽扣电池8，控制采集模块9和蓝牙模块10集成在电路板11上，通过导线7连接金属电极6，纽扣电池8给上层离子凝胶阵列2和下层凝胶阵列4供电。

作为本发明的优选实施方式，在有测量精度要求时，上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4的六边形离子凝胶单元可减小尺寸，增加总体单元数量，或在压力大的部位增加单元数量。

作为本发明的优选实施方式，对不同被测对象，选择不同运动状态，如站立，步行，跳跃，跑步，跨越等方式测量。

如图1，2，3所示，本发明一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器测量足底压力及动态变化的方法为：在交流电供电时，上层离子凝胶阵列2和下层离子凝胶阵列4的离子凝胶单元的金属电极-离子凝胶界面产生两个双电层，电容为Cd_i，与中间绝缘介质电容Cs_i串联；金属电极和离子凝胶中的电荷分布距离是纳米量级，中间绝缘介质上下表面的电荷分布距离是微米量级，估计Cd_i/Cs_i≥10⁵，因此测得电容中间绝缘介质3的厚度为d，与离子凝胶单元接触面积为s，在初始状态下电容值为ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；设弹性体变形后体积不变，在足底压力作用下，绝缘介质长度被拉伸为λ倍，厚度会被压缩为倍，面积被拉伸为λ²倍，则受压后的电容值为C_i＝λ⁴Cs_i0；控制采集模块9打开控制开关测得某个电容信号C_i或全部电容信号对应电压信号，由蓝牙模块10发送到手机，通过计算得到足底各部分压力P_i和总压力P，P_i＝kU_i；k为压力与电压的比例系数；某个离子凝胶单元的动态电容信号对应电压信号U_i(t)峰峰值之间的间隔t即为步幅周期或跳跃周期，一定时间T内的步数或起跳次数离子凝胶不会发生电化学反应，且多次加载后测量结果漂移很小，因此本发明传感器可长时间重复使用，并能保证测量精度。