贺 伟,雷 挺*,翟少红

(1.西安邮电大学通信与信息工程学院,西安 710061;2.西安体育学院武术系,西安 710068)



搏击类电子护具用测力传感器及其调理电路的研究*

贺 伟1,雷 挺1*,翟少红2

(1.西安邮电大学通信与信息工程学院,西安 710061;2.西安体育学院武术系,西安 710068)

通过研究目前跆拳道电子护具的诸多优缺点,设计制作了一种内嵌于护具中使用的,基于e-Touch压电薄膜的无扰动、抗干扰,可根据需要制作为不同规格的搏击比赛通用型测力传感器,并联成模块网络后与单片机相连可实现对被击打区域的确定。以反应速度快且跟随性好的电压跟随器作为调理电路结合标定结果为后续计算作用力大小、持续时间、作用频率做好准备。通过测力传感器模块制作、标定、电路仿真、整体测试,达到了使用要求。

搏击类电子护具;e-Touch压电薄膜;测力传感器;电压跟随器;测力传感器模块网络

电子护具自泰山Daedo、lajust公司研制之初就备受关注与争议,近几十年来,跆拳道电子护具以其反应较为灵敏,可判断作用力来源,自身扰动小的优点得到了较快的发展,甚至登上奥运会的舞台。但由于比赛规则、规模以及不同护具使用测力传感器、接触式感应芯片及可识别动作的ID芯片的原因,跆拳道电子护具时而需要较长时间接触时而相互靠近就可轻易得分,导致比赛的判罚结果时常遭到运动员的质疑且平时训练难度大增。

作为电子护具核心部件的测力传感器,其能否检测作用力大小、抗干扰性、使用寿命等问题直接影响着护具的使用与发展[1]。本文针对以上诸多问题及电子护具对赛事的影响[2],设计了一种基于e-Touch压电薄膜的无扰动、抗干扰、可替换的新型测力传感器。结合调理电路,通过输出波形检测作用力大小、作用时间并由此计算作用力频率[3],由不同并联组网区域被有效击打来确定作用力的位置。同时,可以根据不同赛事护具的需要、相应赛事不同性别、级别运动员的使用要求,制作满足赛事要求的不同尺寸、受力范围的测力传感器。通过仿真、测试,达到了设计要求。

1 电子护具传感器

1.1 传感器主体工作原理

e-Touch压电薄膜内部含有众多扁平状孔洞结构,在这些孔洞中储存有永久正负电荷。当压电薄膜受到动态应力的作用时,厚度发生变化,并随之产生了相应的电荷,这些电荷在薄膜的上下电极上积聚,从而产生了与作用力大小相对应的电荷。

试验中选用贝新电子科技(上海)有限公司的e-Touch压电薄膜,其主要参数:压电电荷系数10 pC/N、压电频率范围1 kHz～100 kHz、电容17 pF/cm2、阻抗10 MΩ/cm2、压力范围0.1 kPa～1 000 kPa。

1.2 测力传感器模块实现

在借鉴跆拳道电子护具的诸多成熟优点及研究其感应识别稳定性、信号采集、擦碰误判[4]等问题后,本文通过在普通e-Touch压电薄膜正反两面黏贴缓冲材料,外层包裹柔性屏蔽材料及在薄膜负极与屏蔽材料间连接屏蔽线的方法,制作实现了一种搏击类电子护具用测力传感器,并内嵌于护具中使用。

图1 搏击比赛用传感器模块结构图

根据护具的外形及厚度选择不同形状的压电薄膜,调整两侧缓冲材料的材质与厚度满足不同性别、级别赛事的需要并消除自身及外界扰动,柔性屏蔽材料及屏蔽线用于屏蔽工频、电磁干扰,最终将传感器内嵌于护具中使用。

1.3 传感器标定

图2 测力传感器模块标定状态图.

为了达到精确测量冲击力大小的目的,每个测力传感器均通过动态冲击力标定器标定。拉升标定器的冲击杆至不同的高度对应产生不同的冲击力,动态冲击连接示波器的传感器模块。

制作多个外形和厚度相同的测力传感器模块,且上下均使用1 mm橡胶缓冲材料,选择其中3个进行标定,结果如下:

表1 测力传感器模块1标定结果

结果显示:作用力不同,输出电压不同,同一规格的传感器模块输出电压也因为传感器自身及缓冲材料的略微差异而存在-1.6 V～+2 V的差异,且输出电压与作用力类似于指数函数关系。

再制作两个外形和厚度相同,且上下使用1 mm的塑料板做缓冲材料的测力传感器模块,进行标定,其结果如下:

表2测力传感器模块2标定结果

改变缓冲材料的厚底、材质输出电压均发生变化,以此区别不同级别、外形护具所适用的测力传感器。由不同冲击力对应传感器输出电压的函数关系,通过编程,后续处理时将采集到的电压值转化成对应冲击力即可。

2 调理电路

2.1 调理电路选型

除此之外,由于e-Touch薄膜高阻低输出的工作原理,使用输入阻抗高、输出阻抗低,可以接收小电流信号且具有极强的带负载能力的射极跟随器作为后续调理电路也可。但射极跟随器电路使用的晶体管,温度漂移大、直流偏置大、存在较大跟踪误差,且碰触容易损坏。

考虑到内嵌于护具中的传感器模块及调理电路严格受到厚度及空间的限制,电路越复杂稳定性、准确性越差,且工作在易受外界温度、湿度、工频、电磁干扰的环境中。最终使用与射极跟随器特性一致,输入阻抗高而输出阻抗低,具有缓冲、隔离、高负载且电压放大倍数恒小于等于1的电压跟随器作为调理电路,将压电薄膜的电荷输出转化为电压输出[7]。

图3 电压跟随器原理图

同时,压电传感器电压灵敏度随电缆分布电容、自身电容变化的问题[8],电压跟随器电路外接限流电阻、相位补偿电容也可解决[9]。

2.2 调理电路实现

由于护具属于动态应力测量且采样点多、间隔短,因此使用高阻、低噪声、高压摆率且温度范围较好的AD744KR运算放大器。而由e-Touch的工作原理及其参数特性,最终将其等效为5 nA～40 μA电流源、50 pF源电容、30 MΩ源电阻并联的结构[10]。

3 仿真

通过Multisim10软件对传感器的核心部件e-Touch压电薄膜及测力传感器系统进行仿真[11]。

由于连接传感器模块至示波器,使用动态冲击力标定器进行大动态冲击力冲击测试时,多次输出>50 V电压,结合实际中压电薄膜的参数特性及调理电路的输入电压最大值,使用分压电路以确保电路正常工作。

图5 系统仿真图

调节电流源的参数,模拟测力传感器受到不同外界冲击力的情况。

表3 测力传感器及电路仿真结果

显然,传感器模块输出与调理电路输出结果对应成比例,调理电路将压电薄膜的电荷输出转化为电压输出且电压跟随性较好,便于后续将电压值较为准确的转换为击打力度值。

4 应用实现

4.1 测力传感器系统实现

仿真结果达到设计要求后,选取并制作对应的调理电路及传感器模块。

图6 调理电路实物图

分别连接示波器的CH1、CH2通道至测力传感器模块输出端及调理电路输出端。通过动态冲击力标定器对传感器模块施加不同级别的动态冲击力,并由示波器观察对应的输出峰值。

表4 测力传感器模块及调理电路输出

替换同一规格的传感器模块进行测量,其输出电压与调理电路输出电压有略微变化但输出成比例,与之前比例结果相差在±0.3以内。试验中,当传感器模块输出电压115 V后不再变化,显然达到所产生的电荷量的上限,为了能满足使用要求,替换更高阻尼系数的缓冲材料并重新标定即可。

由一组同一规格的传感器模块标定结果也可注意到,从输出电压不再发生变化之前的输出结果有一定的偏差但都随施力高度的变化而变化且比例基本相同,在0～0.05 m间线性度较好。

4.2 使用改进

实际使用时,测力传感器模块及其调理电路会受到汗渍腐蚀、温度变化、不同级别冲击力的考验。为了确保系统正常工作,在测力传感器的输出引脚添加柔性密封防腐蚀材料并将调理电路封装在填充缓冲材料的密闭柔性壳体中[12]即可。

5 测力传感器模块网络[13]

将同一外形、厚度和耐冲击力值的一组测力传感器模块通过总线的方式并联连接,内嵌于所用护具或相应设备中,并调整分布位置,保证使用时最少有一个传感器模块可被有效击中。各传感器模块正极输出端连接二极管后再连至总线,避免相互之间的影响。

图7 测力传感器模块网络连接图

使用时,被击中的传感器模块数目有限,且采用并联方式连接,有效接触后模块网络的总阻值降低,阻抗匹配条件依然满足,可以继续使用之前的调理电路。而相应数目的测力传感器模块被有效击打时,对应输出相应数目,不同幅值、作用时间的电压信号,经过AD转换、单片机内部脉冲信号采样转换成对应的力度值并全部相加,及该作用力的大小。作用力的频率则可以通过检测多组相邻输出波形的中间时刻,由计算得到。

增加测力传感器模块网络的数目而相应地减少网络中测力传感器的数目,通过调理电路与单片机外部中断接口相连,有效击打后对应的网络调理电路工作并将采集到的信号通过不同地址的外部中断接口传给单片机[14],由此就可基本确定被击打的区域。

6 结论

对比跆拳道电子护具的诸多优缺点,提出了一种基于e-Touch压电薄膜的搏击比赛用测力传感器,并以转化方便、灵敏度高、输出电压比例好的电压跟随器作为其调理电路为后续AD转换、通过标定将输出电压与受冲击力大小一一对应,为准确计算作用力大小、持续时间、作用频率做好准备。根据赛事需要可制作不同形状、厚度、耐冲击力值的测力传感器模块,多个同样规格的传感器并联连接组成模块网络与单片机不同地址的外部中断接口相连亦可基本确定被击打的区域。从而为电子护具的发展及推广探出了一条新路。

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贺伟(1966-),男,陕西西安人,教授,硕士生导师,主要从事物联网技术和光电系统研究,hewei66@xupt.edu.cn;

雷挺(1989-),男,陕西宝鸡人,研究生,研究方向为物联网技术与应用,wushenyeyu@163.com。

ResearchoftheFightingElectronicGearForceTransducerandItsControlCircuit*

HEWei1,LEITing1*,ZHAIShaohong2

(1.Communication and Information Engineering Institute,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China;2.Department of Martial Arts,Xi’an Physical Education University,Xi’an 710068,China)

By studying many advantages and disadvantages of the current taekwondo electronic protective gear,a kind of universal force sensor was designed,which is based on e-Touch piezoelectric film,without disturbance,interference,and according to the need it can be produced for different specifications of the different types of fighting game. After parallelled to the module network and connected with microcontroller,the universal sensor can realize to determine the hit area. The fast response and good following voltage follower is used as its conditioning circuit,and combined with calibration results the force size,duration,effect frequency are prepared to calculate. By force sensor module production,calibration,circuit simulation,the overall test,this kind of universal force sensor reaches requirements for the current tae kwon do electron protective gear.

fighting electronic protector;e-Touch piezoelectric film;force sensor;voltage follower;force sensor module network

项目来源:国家体育总局重点研究领域课题项目(2012B037)

2014-06-20修改日期:2014-08-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.015

TN70

:A

:1004-1699(2014)10-1382-05