一种床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法与流程

本发明涉及床垫硬度测试技术领域，尤其涉及一种床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法。

背景技术：

睡眠是人体精力与体力恢复的保证，床垫作为睡眠的平台，其物理特性对睡眠质量有着重要的影响。床垫的硬度是表征床垫物理性能的一个重要的方面，这主要是因为，床垫的软硬度不仅会影响人-床之间压力的缓解，还会影响脊柱支撑。床垫的硬度不易过大，当床垫的硬度过大时，如果人-床之间的界面局部压力大于人体终末小动脉血管压力的2倍，即9.33kpa(70mmhg)时，且压力持续时间1～2h，就可阻断毛细血管对组织的灌流，引起组织缺氧，受压时间超过2h以上就会引起人体肌肉软组织不可逆的损伤。对于健康人，人们会通过翻身等适度的动作行为来减小人-床界面压力对人体肌肉软组织的影响(正常情况下，每晚翻身次数约为20次左右)，但睡眠中过于频繁的动作行为会使睡眠时断时续难以保持，因此，不利于睡眠质量的提高。对于行为受限或长期卧床者，在载荷作用时间和作用强度双重影响下，会导致褥疮的形成。当床垫过软时，人体会深深陷入床垫之中，人体翻身或姿势调节需要消耗较大的能量，人体翻身次数明显减少，过少的翻身次数会导致人体局部处于持续受压的状态，从而不利于人体的血液循环和神经传导，同时也不利于人体肌肉的放松；再者，当床垫过软时，人-床界面接触面积增大，过大的接触面积不利于人-床界面湿气的散发，湿粘的人-床界面微环境不利于人体睡眠舒适性的提高。

另外，床垫过硬时，人-床界面压力分布较为集中，仰卧睡姿时，压力主要集中于臀部、肩部、头部等骨突部位，腰部处于悬空状态，缺乏支撑，不利于肌肉放松和脊柱保持自然的状态；侧卧睡姿压力主要集中于大拐子点、肋部、肩部和头部，侧卧在硬度较大的床垫时，人体的稳定性较差，为了保持睡姿，部分肌肉将处于紧绷施力状态，长时间会造成肌肉疲劳。即床垫过硬不利于人体脊柱处于自然弯曲状态和肌肉的放松。而一旦脊柱处于非自然弯曲的状态，椎间盘受压就会增加。床垫过软，臀部极易深深陷入床垫之中，也不利于脊柱保持自然弯曲的状态，从而也不利于椎间盘压力为零和肌肉的放松。

由此可以看出，床垫的软硬度对人体健康、睡眠质量等都有重要的作用。众所周知，床垫对人体的支撑是床垫整体与人体重量之间相互作用的结果，但目前床垫软硬度的评价主要还停留在床垫单一材料的测试和床垫整体主观地、定性地描述等方面，如床垫“软”、“硬”、“硬度适中”等，缺乏客观地、定量地测试和评价整体床垫软硬度的标准。随着中国床垫消费市场的不断扩大，床垫硬度评价不能再停留于主观地、定性描述，必须要通过标准的定量化测试来对床垫硬度进行评价和分级，这样一方面可以帮助消费者选购适合于自己的床垫，另一方面也有利于企业的标准化设计与生产。

同时，随着定制家具的进一步发展，床垫硬度的定量化测试与评价也是床垫定制化生产的基础。这主要是因为，人体是个性化的人体，不同人具有不同的提醒和体重，而不同的提醒和体重对床垫的硬度和硬度分布有不同的需求。如亚洲人的腰椎曲线比欧美人种平缓，欧美人由于腰椎曲线与床垫之间的缝隙较大，为了使脊柱保持自然形态，床垫的整体硬度要较小，尤其是臀部区域的下陷量要足够大。所以，针对中国消费者对床垫硬度的选择范围与西方不同，西方国家制定的床垫软硬度的标准也不适用于中国人。而目前国内关于标准的床垫硬度测试方法还处于空白状态，至于根据中国人体体型制定床垫硬度分级的标准更是缺乏。

据此，目前急需一种能够为床垫的人性化设计和定制化生产提供科学依据的床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够为床垫的人性化设计和定制化生产提供科学依据的床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种床垫硬度分级定量化测试设备，包括测试平台、移动支架、力学性能测试装置、主机，所述移动支架安装于测试平台上并可以前后移动，所述移动支架上设置有竖直朝下的力学性能测试装置用于测量床垫上各个离散测试点的载荷-位移数据，所述力学性能测试装置通过线路与主机相连，所述测试平台包括四周支架以及中间带孔的刚性台面，所述四周支架包括上层支架与下层支架，其中上层支架顶部内设有中间带孔的刚性台面，所述中间带孔的刚性台面下端固定匹配下层支架，所述下层支架的每侧中间部分留有气体通道。

作为本发明的优选方式之一，所述移动支架包括支架横梁以及设置在两侧的立柱，支架横梁中间具有空槽，空槽内壁设有可供力学性能测试装置直线移动的运动轨道，所述上层支架两侧设有直线轨道，所述移动支架的两侧立柱在直线轨道中可前后移动。

作为本发明的优选方式之一，还包括伺服电机，所述伺服电机驱动控制移动支架的两侧立柱在直线轨道中以及力学性能测试装置在空槽的运动轨道中同步移动。

作为本发明的优选方式之一，还包括线路通道以及采集卡，所述线路通道用于将伺服电机、力学性能测试装置的线路收集在一起；所述采集卡同步采集力学性能测试装置以及伺服电机的各自线路的信号。

作为本发明的优选方式之一，还包括显示器，所述显示器与主机相连。

作为本发明的优选方式之一，所述力学性能测试装置的底部压机的压头为球缺。

作为本发明的优选方式之一，所述球缺的直径d＝355mm，r＝800mm，总接触面积s＝1000cm2。

本发明还公开了一种床垫硬度分级定量化测试方法，该方法包括以下步骤：

(1)首先，测试之前将床垫静置在室温(23±2)℃，相对湿度(50±5)％的环境中24小时以适应环境；

(2)然后，将床垫放置在测试平台的刚性台面上，球缺形压头以90mm/min的速度匀速下降，并作用在床垫的各个离散测试点，床垫在压力作用下产生变形，重复三次取平均值；

(3)最后，由主机获得并存储实验加载曲线。

本发明还公开了一种床垫硬度分级定量化测试的评价方法，包括以下步骤：

(1)根据床垫硬度测试的实验加载曲线计算床垫滞后损失率h为：

其中a1是0n～1000n范围内加载曲线和卸载曲线之间的面积，a2是0n～1000n范围内加载曲线与x轴之间的面积；

(2)通过公式(1)得到载荷-位移曲线并结合人体血管承受压力值计算两大硬度指标值k值和s值，并利用k值和s值的范围对床垫硬度进行分级；

(3)最后利用人体主观舒适性评价方法对床垫硬度进行主观评价，并对k值和s值两大硬度指标进行修正。其中人体血管承受压力特点为人体小动脉毛细血管压力在3.3-4.6kpa(25-35mmhg)，小静脉血管压力为1.6kpa(12mmhg)，小静脉血管压力的临界值为4kpa(30mmhg)，若外界施与人体局部的压力超过终末毛细血管动脉压的两倍，即9.33kpa(70mmhg)，且压力持续1-2h，就可阻断毛细血管对组织的灌流，引起组织缺氧，受压超过两小时以上就会引起不可逆的损伤。

作为本发明的优选方式之一，所述k值和s值具体计算公式与步骤包括：

床垫的硬度指标s的计算公式如下：

s＝10(1-e^-(ka+b))²(2)

其中a＝7.737×10-4，b＝9.706×10-2，1≤s≤10，当s＜3表示硬，3≤s≤6表示软硬适中，6＜s≤10表示软；

而k是影响床垫硬度的重要因素，单位为mm²，公式如下：

根据lga标准k＜900(mm2)表示床垫比较硬，900(mm2)≤k≤1800(mm2)表示床垫软硬适中，k＞1800(mm2)表示床垫较软；其中a450为0n～450n范围内加载曲线与x轴之间的总面积，t为加载曲线斜率的平均数(单位n/mm)，即：

其中t210、t275、t340分布为加载曲线在210n、275n和340n时的切线斜率，其单位为n/mm；

k值与s值的计算步骤包括：

a1：计算0n-450n范围内加载曲线与x轴之间的总面积，记作a450，单位为n*mm；

a2：计算加载曲线在210n、275n和340n时的切线斜率，分别计作t210、t275、t340，并计算三者平均值，记作t，单位为n/mm；

a3：计算a450与t的比值，记作k值，单位为mm2；

当k＜900(mm2)表示床垫比较硬，900(mm2)≤k≤1800(mm2)表示床垫软硬适中，k＞1800(mm2)表示床垫较软；

a4：根据k值计算硬度指标s值，计算方法如公式(2)所示：

s＝10(1-e^-(ka+b))²(2)

其中a＝7.737×10-4，b＝9.706×10-2，1≤s≤10，当s＜3表示硬，3≤s≤6表示软硬适中，6＜s≤10表示软。

本发明相比现有技术的优点在于：(1)目前无论是市场范围还是科研领域，关于床垫硬度的描述多数还是使用定性的描述。定性的描述不利于企业产品间相互的比较和标准化的生产和设计，同时，定性的描述制约着床垫的创新设计性、定制化设计与生产。而本发明所提供的床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法克服了上述局限性，通过硬度指标值对床垫进行硬度分级，将床垫产品分为软、软硬适中和硬三个硬度范围和10个硬度等级，即k＜900(mm2)表示床垫比较硬，900(mm2)≤k≤1800(mm2)表示床垫软硬适中，k＞1800(mm2)表示床垫较软。同时得到定量化的硬度指标值s(1≤s≤10)，详细的评价了床垫的硬度等级。另外，企业也可以根据产品定位与评价的需求，对10个硬度等级进一步细分；

(2)中国人的腰椎曲线(即体型)与欧美人群有较大的差异，同时，睡姿偏好和软硬度的喜好也有较大差异，所以欧美床垫支撑性能的评价标准并不适用于评价中国人的需求。本发明基于中国人的体型特征和睡姿、睡眠习惯偏好、性别差异等，通过1000多张床垫搭配组合方式及舒适性评价，建立了床垫硬度评价与定级标准，同时可以中国消费者的选床和床垫的定制化设计与生产提供科学依据。如实验研究表明，男性骨突明显，脂肪含量较女性低约10％，因此，男性使用的床垫在保证足够支撑的前提下，较软的硬度有利于缓解压力，建议床垫硬度范围5-8，女性使用床垫的硬度范围在3-7；

(3)本发明还可以对床垫上各个点的硬度进行测试，根据测试结果，绘制整体床垫的硬度分布图。通过硬度分布和使用者体型、体重评价床垫各个区域的支撑的合理性，尤其是评价腰部支撑是否合理，是否能够保证脊柱处理自然弯曲的状态。常见的分区床垫分为头部、肩背部、腰部、臀部和腿部五个区域。床垫的硬度分级和硬度分布为床垫的模块化设计与定制化生产提供了数据支撑；

(4)通过本发明床垫硬度测试，可以为消费者选床垫、购床垫提供直观科学的依据；

(5)人体终末小动脉血管压力的临界值为4kpa，若外界施与人体局部的压力超过终末毛细血管动脉压的两倍，即9.33kpa，且压力持续1～2h，就可阻断毛细血管对组织的灌流，引起组织缺氧，长期受压较大可能导致褥疮的形成。对于健康人可以通过翻身等姿势调节来缓解床垫支撑力对人体血液血液循环的影响，而对于行动不便的老年人或行为受限者，则必须通过监护人或护理人员帮忙翻身、调整姿势等。床垫硬度也大，翻身次数应越频繁。因此，本发明可以为行动不便的老年人和行为受限者的监护工作提供科学理论依据。一般床垫硬度s值在3-4，间隔30min需要调整姿势一次；硬度s值在4-5，间隔50min需要调整姿势一次；硬度s值在5-6，间隔60min需要调整姿势一次；

(6)智能化家具在市场上的份额越来越大，床垫的智能化设计还处于发展初期阶段，缺少标准化的床垫硬度评价方法是限制床垫智能化发展的重要因素。本发明提供的床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法，正好能够解决这一问题。本发明所提供的床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法，可以为智能床的智能调节和智能监测提供科学理论依据和数据支撑；

(7)本发明床垫硬度分级定量化测试设备、方法以及评价方法，可以为企业床垫的标准化生产、定制化设计，以及生产、销售(售中、售后)服务提供科学理论依据和数据支撑。企业可以建立人体体型、体重、性别等因素与床垫软硬度之间的关系，从而服务于企业床垫的标准化生产、定制化设计，以及生产、销售。

附图说明

图1是本实施例中床垫硬度分级定量化测试设备结构示意图；

图2是本实施例中床垫硬度分级定量化测试设备在测试时的示意图；

图3是本实施例中力学性能测试装置的底部压机结构示意图；

图4是本实施例中床垫上各个离散测试点示意图；

图5是本实施例中硬度分级测试所获得的载荷-位移曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-5所示，本实施例的一种床垫硬度分级定量化测试设备，包括测试平台(1)、移动支架(2)、力学性能测试装置(3)、主机(4)，所述移动支架(2)安装于测试平台(1)上并可以前后移动，所述移动支架(2)上设置有竖直朝下的力学性能测试装置(3)用于测量床垫(8)上各个离散测试点(9)的载荷-位移数据，所述力学性能测试装置(3)通过线路与主机(4)相连，所述测试平台(1)包括四周支架(11)以及中间带孔的刚性台面(12)，孔直径为6mm，孔间距为20mm，以便及时将测试过程中产生的气体排出床垫，所述四周支架(11)包括上层支架与下层支架，其中上层支架顶部内设有中间带孔的刚性台面(12)，所述中间带孔的刚性台面(12)下端固定匹配下层支架，所述下层支架的每侧中间部分留有气体通道(14)；本实施例提供了一种定量化测试床垫硬度、床垫各点独立支撑性、床垫各点之间相互干扰程度的测试仪器设备和工作过程。

实施例2

本实施例的一种床垫硬度分级定量化测试设备，与实施例1基本相同，主要不同之处在于，所述移动支架(2)包括支架横梁(21)以及设置在两侧的立柱(22)，支架横梁(21)中间具有空槽(211)，空槽(211)内壁设有可供力学性能测试装置(3)直线移动的运动轨道，所述上层支架两侧设有直线轨道(13)，所述移动支架(2)的两侧立柱(22)在直线轨道(13)中可前后移动，还包括伺服电机(7)，所述伺服电机(7)驱动控制移动支架(2)的两侧立柱(22)在直线轨道(13)中以及力学性能测试装置(3)在空槽(211)的运动轨道中同步移动，还包括线路通道(212)以及采集卡(5)，所述线路通道(212)用于将伺服电机(7)、力学性能测试装置(3)的线路收集在一起；所述采集卡(6)同步采集力学性能测试装置(3)以及伺服电机(7)的各自线路的信号，还包括显示器(6)，所述显示器(6)与主机(4)相连，所述力学性能测试装置(3)的底部压机(31)的压头为球缺，所述球缺的直径d＝355mm，r＝800mm，总接触面积s＝1000cm²；本实施例可以对床垫上各个点的硬度进行测试，为后续绘制整体床垫的硬度分布图提供数据支撑。

实施例3

本实施例还公开了一种床垫硬度分级定量化测试方法，该方法包括以下步骤：

(1)首先，测试之前将床垫(8)静置在室温(23±2)℃，相对湿度(50±5)％的环境中24小时以适应环境；

(2)然后，将床垫(8)放置在测试平台(1)的刚性台面(12)上，球缺形压头(31)以90mm/min的速度匀速下降，并作用在床垫(8)的各个离散测试点(9)，床垫(8)在压力作用下产生变形，重复三次取平均值；

(3)最后，由主机(4)获得并存储实验加载曲线。

本实施例的床垫的硬度分级和硬度分布为床垫的模块化设计与定制化生产提供了数据支撑。

实施例4

本实施例还公开了一种床垫硬度分级定量化测试的评价方法，包括以下步骤：

(1)根据床垫硬度测试的实验加载曲线计算床垫滞后损失率h为：

其中a1是0n～1000n范围内加载曲线和卸载曲线之间的面积，a2是0n～1000n范围内加载曲线与x轴之间的面积；

(2)通过公式(1)得到载荷-位移曲线并结合人体血管承受压力值计算两大硬度指标值k值和s值，并利用k值和s值的范围对床垫硬度进行分级；

(3)最后利用人体主观舒适性评价方法对床垫硬度进行主观评价，并对k值和s值两大硬度指标进行修正。其中人体血管承受压力特点为人体小动脉毛细血管压力在3.3-4.6kpa(25-35mmhg)，小静脉血管压力为1.6kpa(12mmhg)，小静脉血管压力的临界值为4kpa(30mmhg)，若外界施与人体局部的压力超过终末毛细血管动脉压的两倍，即9.33kpa(70mmhg)，且压力持续1-2h，就可阻断毛细血管对组织的灌流，引起组织缺氧，受压超过两小时以上就会引起不可逆的损伤。

进一步的，所述k值和s值具体计算公式与步骤包括：

床垫的硬度指标s的计算公式如下：

s＝10(1-e^-(ka+b))²(2)

其中a＝7.737×10-4，b＝9.706×10-2，1≤s≤10，当s＜3表示硬，3≤s≤6表示软硬适中，6＜s≤10表示软；

而k是影响床垫硬度的重要因素，单位为mm²，公式如下：

根据lga标准k＜900(mm2)表示床垫比较硬，900(mm2)≤k≤1800(mm2)表示床垫软硬适中，k＞1800(mm2)表示床垫较软；其中a450为0n～450n范围内加载曲线与x轴之间的总面积，t为加载曲线斜率的平均数(单位n/mm)，即：

其中t210、t275、t340分布为加载曲线在210n、275n和340n时的切线斜率，其单位为n/mm；

k值与s值的计算步骤包括：

a1：计算0n-450n范围内加载曲线与x轴之间的总面积，记作a450，单位为n*mm；

a2：计算加载曲线在210n、275n和340n时的切线斜率，分别计作t210、t275、t340，并计算三者平均值，记作t，单位为n/mm；

a3：计算a450与t的比值，记作k值，单位为mm2；

当k＜900(mm2)表示床垫比较硬，900(mm2)≤k≤1800(mm2)表示床垫软硬适中，k＞1800(mm2)表示床垫较软；

a4：根据k值计算硬度指标s值，计算方法如公式(2)所示：

s＝10(1-e^-(ka+b))²(2)

其中a＝7.737×10-4，b＝9.706×10-2，1≤s≤10，当s＜3表示硬，3≤s≤6表示软硬适中，6＜s≤10表示软。

本实施例可以为智能床的智能调节和智能监测提供科学理论依据和数据支撑；并且为企业床垫的标准化生产、定制化设计，以及生产、销售(售中、售后)服务提供科学理论依据和数据支撑。企业可以建立人体体型、体重、性别等因素与床垫软硬度之间的关系，从而服务于企业床垫的标准化生产、定制化设计，以及生产、销售。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。