搏擊類電子護具用測力傳感器及其調理電路的研究*

賀 偉,雷 挺*,翟少紅

(1.西安郵電大學通信與信息工程學院,西安 710061;2.西安體育學院武術系,西安 710068)

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搏擊類電子護具用測力傳感器及其調理電路的研究*

賀 偉1,雷 挺1*,翟少紅2

(1.西安郵電大學通信與信息工程學院,西安 710061;2.西安體育學院武術系,西安 710068)

通過研究目前跆拳道電子護具的諸多優缺點,設計制作了一種內嵌于護具中使用的,基于e-Touch壓電薄膜的無擾動、抗干擾,可根據需要制作為不同規格的搏擊比賽通用型測力傳感器,并聯成模塊網絡后與單片機相連可實現對被擊打區域的確定。以反應速度快且跟隨性好的電壓跟隨器作為調理電路結合標定結果為后續計算作用力大小、持續時間、作用頻率做好準備。通過測力傳感器模塊制作、標定、電路仿真、整體測試,達到了使用要求。

搏擊類電子護具;e-Touch壓電薄膜;測力傳感器;電壓跟隨器;測力傳感器模塊網絡

電子護具自泰山Daedo、lajust公司研制之初就備受關注與爭議,近幾十年來,跆拳道電子護具以其反應較為靈敏,可判斷作用力來源,自身擾動小的優點得到了較快的發展,甚至登上奧運會的舞臺。但由于比賽規則、規模以及不同護具使用測力傳感器、接觸式感應芯片及可識別動作的ID芯片的原因,跆拳道電子護具時而需要較長時間接觸時而相互靠近就可輕易得分,導致比賽的判罰結果時常遭到運動員的質疑且平時訓練難度大增。

作為電子護具核心部件的測力傳感器,其能否檢測作用力大小、抗干擾性、使用壽命等問題直接影響著護具的使用與發展[1]。本文針對以上諸多問題及電子護具對賽事的影響[2],設計了一種基于e-Touch壓電薄膜的無擾動、抗干擾、可替換的新型測力傳感器。結合調理電路,通過輸出波形檢測作用力大小、作用時間并由此計算作用力頻率[3],由不同并聯組網區域被有效擊打來確定作用力的位置。同時,可以根據不同賽事護具的需要、相應賽事不同性別、級別運動員的使用要求,制作滿足賽事要求的不同尺寸、受力范圍的測力傳感器。通過仿真、測試,達到了設計要求。

1 電子護具傳感器

1.1 傳感器主體工作原理

e-Touch壓電薄膜內部含有眾多扁平狀孔洞結構,在這些孔洞中儲存有永久正負電荷。當壓電薄膜受到動態應力的作用時,厚度發生變化,并隨之產生了相應的電荷,這些電荷在薄膜的上下電極上積聚,從而產生了與作用力大小相對應的電荷。

試驗中選用貝新電子科技(上海)有限公司的e-Touch壓電薄膜,其主要參數:壓電電荷系數10 pC/N、壓電頻率范圍1 kHz～100 kHz、電容17 pF/cm2、阻抗10 MΩ/cm2、壓力范圍0.1 kPa～1 000 kPa。

1.2 測力傳感器模塊實現

在借鑒跆拳道電子護具的諸多成熟優點及研究其感應識別穩定性、信號采集、擦碰誤判[4]等問題后,本文通過在普通e-Touch壓電薄膜正反兩面黏貼緩沖材料,外層包裹柔性屏蔽材料及在薄膜負極與屏蔽材料間連接屏蔽線的方法,制作實現了一種搏擊類電子護具用測力傳感器,并內嵌于護具中使用。

圖1 搏擊比賽用傳感器模塊結構圖

根據護具的外形及厚度選擇不同形狀的壓電薄膜,調整兩側緩沖材料的材質與厚度滿足不同性別、級別賽事的需要并消除自身及外界擾動,柔性屏蔽材料及屏蔽線用于屏蔽工頻、電磁干擾,最終將傳感器內嵌于護具中使用。

1.3 傳感器標定

圖2 測力傳感器模塊標定狀態圖.

為了達到精確測量沖擊力大小的目的,每個測力傳感器均通過動態沖擊力標定器標定。拉升標定器的沖擊桿至不同的高度對應產生不同的沖擊力,動態沖擊連接示波器的傳感器模塊。

制作多個外形和厚度相同的測力傳感器模塊,且上下均使用1 mm橡膠緩沖材料,選擇其中3個進行標定,結果如下:

表1 測力傳感器模塊1標定結果

結果顯示:作用力不同,輸出電壓不同,同一規格的傳感器模塊輸出電壓也因為傳感器自身及緩沖材料的略微差異而存在-1.6 V～+2 V的差異,且輸出電壓與作用力類似于指數函數關系。

再制作兩個外形和厚度相同,且上下使用1 mm的塑料板做緩沖材料的測力傳感器模塊,進行標定,其結果如下:

表2測力傳感器模塊2標定結果

改變緩沖材料的厚底、材質輸出電壓均發生變化,以此區別不同級別、外形護具所適用的測力傳感器。由不同沖擊力對應傳感器輸出電壓的函數關系,通過編程,后續處理時將采集到的電壓值轉化成對應沖擊力即可。

2 調理電路

2.1 調理電路選型

除此之外,由于e-Touch薄膜高阻低輸出的工作原理,使用輸入阻抗高、輸出阻抗低,可以接收小電流信號且具有極強的帶負載能力的射極跟隨器作為后續調理電路也可。但射極跟隨器電路使用的晶體管,溫度漂移大、直流偏置大、存在較大跟蹤誤差,且碰觸容易損壞。

考慮到內嵌于護具中的傳感器模塊及調理電路嚴格受到厚度及空間的限制,電路越復雜穩定性、準確性越差,且工作在易受外界溫度、濕度、工頻、電磁干擾的環境中。最終使用與射極跟隨器特性一致,輸入阻抗高而輸出阻抗低,具有緩沖、隔離、高負載且電壓放大倍數恒小于等于1的電壓跟隨器作為調理電路,將壓電薄膜的電荷輸出轉化為電壓輸出[7]。

圖3 電壓跟隨器原理圖

同時,壓電傳感器電壓靈敏度隨電纜分布電容、自身電容變化的問題[8],電壓跟隨器電路外接限流電阻、相位補償電容也可解決[9]。

2.2 調理電路實現

由于護具屬于動態應力測量且采樣點多、間隔短,因此使用高阻、低噪聲、高壓擺率且溫度范圍較好的AD744KR運算放大器。而由e-Touch的工作原理及其參數特性,最終將其等效為5 nA～40 μA電流源、50 pF源電容、30 MΩ源電阻并聯的結構[10]。

3 仿真

通過Multisim10軟件對傳感器的核心部件e-Touch壓電薄膜及測力傳感器系統進行仿真[11]。

由于連接傳感器模塊至示波器,使用動態沖擊力標定器進行大動態沖擊力沖擊測試時,多次輸出>50 V電壓,結合實際中壓電薄膜的參數特性及調理電路的輸入電壓最大值,使用分壓電路以確保電路正常工作。

圖5 系統仿真圖

調節電流源的參數,模擬測力傳感器受到不同外界沖擊力的情況。

表3 測力傳感器及電路仿真結果

顯然,傳感器模塊輸出與調理電路輸出結果對應成比例,調理電路將壓電薄膜的電荷輸出轉化為電壓輸出且電壓跟隨性較好,便于后續將電壓值較為準確的轉換為擊打力度值。

4 應用實現

4.1 測力傳感器系統實現

仿真結果達到設計要求后,選取并制作對應的調理電路及傳感器模塊。

圖6 調理電路實物圖

分別連接示波器的CH1、CH2通道至測力傳感器模塊輸出端及調理電路輸出端。通過動態沖擊力標定器對傳感器模塊施加不同級別的動態沖擊力,并由示波器觀察對應的輸出峰值。

表4 測力傳感器模塊及調理電路輸出

替換同一規格的傳感器模塊進行測量,其輸出電壓與調理電路輸出電壓有略微變化但輸出成比例,與之前比例結果相差在±0.3以內。試驗中,當傳感器模塊輸出電壓115 V后不再變化,顯然達到所產生的電荷量的上限,為了能滿足使用要求,替換更高阻尼系數的緩沖材料并重新標定即可。

由一組同一規格的傳感器模塊標定結果也可注意到,從輸出電壓不再發生變化之前的輸出結果有一定的偏差但都隨施力高度的變化而變化且比例基本相同,在0～0.05 m間線性度較好。

4.2 使用改進

實際使用時,測力傳感器模塊及其調理電路會受到汗漬腐蝕、溫度變化、不同級別沖擊力的考驗。為了確保系統正常工作,在測力傳感器的輸出引腳添加柔性密封防腐蝕材料并將調理電路封裝在填充緩沖材料的密閉柔性殼體中[12]即可。

5 測力傳感器模塊網絡[13]

將同一外形、厚度和耐沖擊力值的一組測力傳感器模塊通過總線的方式并聯連接,內嵌于所用護具或相應設備中,并調整分布位置,保證使用時最少有一個傳感器模塊可被有效擊中。各傳感器模塊正極輸出端連接二極管后再連至總線,避免相互之間的影響。

圖7 測力傳感器模塊網絡連接圖

使用時,被擊中的傳感器模塊數目有限,且采用并聯方式連接,有效接觸后模塊網絡的總阻值降低,阻抗匹配條件依然滿足,可以繼續使用之前的調理電路。而相應數目的測力傳感器模塊被有效擊打時,對應輸出相應數目,不同幅值、作用時間的電壓信號,經過AD轉換、單片機內部脈沖信號采樣轉換成對應的力度值并全部相加,及該作用力的大小。作用力的頻率則可以通過檢測多組相鄰輸出波形的中間時刻,由計算得到。

增加測力傳感器模塊網絡的數目而相應地減少網絡中測力傳感器的數目,通過調理電路與單片機外部中斷接口相連,有效擊打后對應的網絡調理電路工作并將采集到的信號通過不同地址的外部中斷接口傳給單片機[14],由此就可基本確定被擊打的區域。

6 結論

對比跆拳道電子護具的諸多優缺點,提出了一種基于e-Touch壓電薄膜的搏擊比賽用測力傳感器,并以轉化方便、靈敏度高、輸出電壓比例好的電壓跟隨器作為其調理電路為后續AD轉換、通過標定將輸出電壓與受沖擊力大小一一對應,為準確計算作用力大小、持續時間、作用頻率做好準備。根據賽事需要可制作不同形狀、厚度、耐沖擊力值的測力傳感器模塊,多個同樣規格的傳感器并聯連接組成模塊網絡與單片機不同地址的外部中斷接口相連亦可基本確定被擊打的區域。從而為電子護具的發展及推廣探出了一條新路。

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賀偉(1966-),男,陜西西安人,教授,碩士生導師,主要從事物聯網技術和光電系統研究,hewei66@xupt.edu.cn;

雷挺(1989-),男,陜西寶雞人,研究生,研究方向為物聯網技術與應用,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

項目來源:國家體育總局重點研究領域課題項目(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