检测技术在体育领域中的应用

王晋伟

（安徽工程大学　体育学院，安徽　芜湖　241000）



检测技术在体育领域中的应用

王晋伟

（安徽工程大学体育学院，安徽芜湖241000）

摘要：检测技术高速发展，已经渗透到体育领域.文章给出了检测技术在体育领域中的一些具体应用，分析了这些应用中的工作原理及特点，指出了检测技术在体育工程实践中的应用将会日趋广泛，日益深入.

关键词：检测技术；传感器；体育领域

随着经济的发展﹑社会的进步和人民生活水平的提高，以发展体力，增强体质为目的的体育事业也得到了飞速发展，大型的国际体育赛事成为国家间交流﹑竞争﹑合作的重要平台，成为展现国家形象和综合实力的重要窗口.体育蕴含的巨大的社会功能和综合效应受到世界各国的高度重视，因此，各国都在大力发展本国的体育事业.

与此同时，科技发展突飞猛进，科技对体育产生了极大的影响,如检测技术，能够帮助运动员和教练员获得更为全面﹑准确的运动数据信息.特别是在信息全球化的今天，以信息﹑计算机﹑通讯技术为基础的体育科技，为体育增添了无穷的魅力，使人们不仅享受了体育运动，更享受了信息时代科技体育的生动﹑趣味与精彩.从某种程度上说，体育赛场上的竞争不单单是运动员之间的较量，对于各国的体育领域科研工作者而言，更是一场科技的较量.

在各种体育信息检测系统中，为了准确获得比赛的时间﹑投掷距离﹑运动员训练强度等信息，检测技术起着举足轻重的作用.检测技术正源源不断地应用于比赛裁判系统﹑运动训练仪器器材﹑大众健身器材等领域，根据“科技兴体”这一发展战略的实施，检测技术在体育工程实践中的应用将会日趋广泛，在体育领域中的应用也将日益深入.

1　比赛裁判系统中的检测技术

1.1田赛测距技术

众所周知，距离是现代田赛成绩的主要依据.跳跃和投掷距离的精确测定是这类项目最关键的裁判工作之一.

田赛成绩测量，在裁判工作中一直比较困难.传统的测量方法是用皮尺﹑钢尺等现场手工丈量.直到1972年联邦德国慕尼黑第二十届奥运会成绩检测首次使用了先进的电子计时器和激光测距仪才宣告了跑表﹑皮尺时代的结束.这些设备准确快速和自动化，加快了田赛成绩测量技术的发展.

能够测量距离的检测技术有红外线测距﹑超声波测距﹑激光测距.它们的工作基本原理相同，都是通过发射装置，在空气中向某一方向发射传播速度一定的光（声波），遇到物体反射，根据发射与接收到光（声波）的时间可以计算出距离.

超声测距比较迅速﹑方便﹑计算简单﹑易于做到实时控制.稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，然而超声波在空气中传播时，其速度受温度﹑湿度﹑粉尘﹑大气压﹑气流等因素影响，其中温度影响最大，因此，超声波测距精度较低，一般为量程的0.5％，约在4cm左右.目前，超声波只能满足非专业测试的应用，在竞技体育比赛中已很少使用.

红外线测距因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，方向性差.

激光是一种颜色很纯﹑能量高度集中﹑方向性很好的光.激光二极管对准目标发射激光束，在被测物体表面上形成一个亮的光斑，成像物镜将该光斑成像到光敏接收器的光敏面上，产生探测其敏感面上光斑位置的电信号.激光测距的优点是精确，精度可以达到5mm以内，博世的激光测距仪精度为1.5个毫米左右.缺点是需要注意人体安全，且制作难度较大，成本较高.

由于光传播的原理相对于声音的传播原理，光的传播更稳定.因此，红外线测距﹑激光测距比超声波测距速度快，更准确，精度要高，稳定性强.

在大型体育比赛中，激光测距仪替代了曾经使用的皮尺和钢尺，同时，还有8至10台摄像机在拍摄比赛情况，这既是为了电视转播的需要也有助于公正﹑准确的判罚.如果运动员对比赛结果有争议，就可以将摄像资料作为证据，因此，也有人称激光测距仪是“投掷运动员的魔镜”.

目前，还有全站型电子速测仪，简称全站仪（Electronic Total Station），是一种集光﹑机﹑电为一体的高技术测量仪器，采用了光电式传感器，用电磁波测距仪代替光学视距经纬仪，使得测程更大﹑测量时间更短﹑精度更高.

与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，其水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量.同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的发光二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使反射光被光电二极管接收；为测距需要在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光传也送给光电二极管接收，进行而由内﹑外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离.

全站仪亲历了大型体育赛事上铅球﹑铁饼﹑标枪﹑链球等田赛项目，为这些项目的参赛选手测量比赛成绩，以其高精度﹑高稳定的良好性能，见证了比赛奖牌的诞生.

1.2径赛计时检测技术

径赛是通过时间来决定运动员名次的，从最初的使用秒表来计时，到后来使用全自动终点摄像机来计时.

全自动终点摄像机的图像采集核心是图象传感器，它是由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成.最常用的光敏元件是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)和CMOS.

CCD传感器使用一种高感光度的硅半导体材料制成的MOS电容为基本单元，当其表面受到光线照射时，每个感光单元会将光信息变成电荷存储在MOS电容上；所有的感光单元所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面.CCD的突出特点就是以电荷作为信号，通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移，并在光电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出.CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，被广泛应用在微光电视摄像等方面，实现图像的获取﹑存储﹑传输﹑处理和复现.

CMOS图像传感器由许多光敏单元组成.根据光敏像元结构的不同，可分为光栅型和光电二极管型.根据敏感单元内是否具有放大功能，可分为无源像素图像传感器（PPS）和有源像素图像传感器(APS).其中，光栅型有源像素传感器结合了CCD和X-Y寻址的优点，每个像元采用了五个晶体管，采用0.25um工艺将允许达到5um的像元间距，可接近高档CCD水平，适用于高性能科学成像和低光照成像.

与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明显的优势.

（1）CMOS信号读取简单，能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多.CCD存储的电荷转移和读取电路较为复杂，速度较慢；

（2）CMOS器件的集成度高﹑体积小﹑重量轻，具有高度系统整合的条件；CCD器件的成像点为X-Y纵横矩阵排列且仅能输出模拟电信号；从功耗和兼容性来看，CCD功耗大；而CMOS-APS具有功耗低﹑兼容性好的特点.

（3）CMOS传感器成品率高，制造成本低；CCD传感器成本高.CMOS-APS比CCD图像质量高.

（4）高速性是CMOS电路的固有特性.CMOS图像传感器具有更强的灵活性.

高速CCD摄像，拍摄速度1000帧/秒，但目前采用最新的CMOS传感器的某高速数字摄影系统，摄速为2000帧/秒，分辨率达到1280X1024像素（1000pps），系统的摄速升级选项可使最高摄速达10000帧/秒，能摄录明亮逼真的彩色图象及清晰明快的单色图象.

目前，国际比赛中采用的电脑计时系统已经可以将成绩由百分之一秒精确到千分之一秒.

1.3拳击比赛中的检测技术

拳击比赛中，为了判断运动员摔倒时是否两肩同时着地，裁判员需要趴在地上紧张的观察运动员的一举一动.如今，压力传感器能够大显神威，可以安装在双方运动员的身上，收集比赛过程中运动员两肩着地的压力信号，类似跆拳道﹑击剑等比赛采用电子记分设备——电子护具，是在传统护具的基础上加入力传感器，当击中护具有效部位且力度达到事前设定的得分标准时，力传感器输出电信号到处理电路，将数据传送到裁判席的接收端，此裁判系统比肉眼观察更加准确﹑高效﹑果断，能够降低裁判员执法工作的强度，运动员对于评判结果的质疑也能够给出强有力的科学依据.

1.4比赛设备中的检测技术

撑杆跳的高度都是4米以上，过去撑杆跳的支架都靠人工操作，速度慢而且容易出现误差，新型的电子跳高架由一台控制仪控制，自动升降到所要求的高度，而这个高度正是采用了激光测距传感器来测量距离，使得测距非常精确，还可在跳高中使用，误差只有0.2毫米，大大提高了比赛效率.

1.5比赛环境监测中的检测技术

大风对田径比赛影响很大，田径比赛场地上风速超过限制，所创造出的成绩将不被承认.帆船比赛，划艇比赛等室外比赛都需要用到风速仪来测量风速.

风速仪按照工作原理，有多种多样形式.

（1）螺旋桨式风速计.是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计.螺旋桨装在一个风标的前部，使其旋转平面始终正对风的来风速计向，转速正比于风速.

（2）热线风速计.一根被电流加热的金属丝（称热线），流动的空气使它散热，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号，从热线输出的电信号，经放大﹑补偿和数字化后输入计算机，即可制成热线风速计.它有两种工作模式：①恒流式.通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；于恒温式.热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速.恒温式比恒流式应用更广泛.若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量.能测量很低速（如低达0.3米/ 秒)等优点.它的时间常数只有百分之几秒.

（3）超声波风速仪.利用超声波时差法来实现风速的测量是机械测风仪器的革命.超声波在空气中的传播速度会和风向上的气流速度叠加.若与风向相同，它的速度会加快，反之，速度会变慢.因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应.通过计算即可得到精确的风速和风向.

由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大，但风速仪是检测发射﹑接受两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计.

超声波测速仪与以往的测量仪器不同，它能在风力急速变化情况下，准确地测量出风速平均值.

由于在裁判过程中使用了先进的传感器作为信号采集装置，极大地提高了测量结果的精确性，最大限度地消除了人工测量方式的种种弊端，确保了比赛过程和结果的公正性和权威性.

2　运动训练器械中的检测技术

现代竞技运动是力与美的化身，所追求的目标是更高﹑更快﹑更远.因此，运动员在平时需要使用各种器械训练，达到提高成绩的目的.

2.1重量训练器材上的检测技术

传统的重量器材往往只能测试一两个训练指标，教练员也只能以铅块的重量和动作频率来粗略了解训练强度的大小，落地时杠铃的重量以及地面的冲击力，对运动员的安全及心理无疑有负面影响.

随着科技的渗透，有研究者已开发在现有的重量训练器材上加装位移﹑速度﹑重量等传感器，研制重量训练数据实时采集与诊断分析系统，以监测训练过程中力量﹑速度﹑功率等参数的变化，并将结果实时反馈给使用者，从而实现重量训练过程的智能化和可视化及训练的安全性.

2.2跆拳道模拟综合训练仪上的检测技术

在跆拳道训练中，运动员主要通过步履的移动，快速击打对方，达到制胜目的.因此，在已有的跆拳道模拟综合训练仪中，力传感器成为主要检测手段之一.

2.2.1力传感器force transducer

为了测试是否击打到对方有效部位和击打到对方时力量的大小，在目标人体模型击打部位上，安装有各种力传感器，其中有电阻应变式﹑压阻式﹑压电式等传感器.电阻式压力传感器以电阻应变片为敏感元件，根据压力下应变片电阻变化测力，可以测静态力，也可以测动态力.压电式力传感器是根据压电晶体在动态力作用下产生电荷的原理，只适用于动态力测量，频率范围较大.而压阻式传感器以其灵敏度好﹑精度高的特点，应用越来越广泛.

2.2.2柔性压力阵列传感器

由压力传感器点阵构成的测试平台是为了训练和评价跆拳道各种基本步法和不同方位敏捷度一种装置.目前使用较好的分布式力传感器有柔性压力阵列传感器.

柔性阵列式压力传感器属于电阻式传感器，其工作原理与普通电阻式传感器基本相同，传感器采用丝网印刷工艺技术将敏感材料按矩阵状印刷到两个绝缘基材(聚酯薄膜)上，将感点对应位置做成通孔，从而构成柔性力阵列和压力阵列.在不受力时，上下两层的敏感点不接触，电阻呈无穷大.当有力加在传感器阵列，上下两层敏感点导通，形成接触电阻，随着力的增大，接触电阻减小，在一定范围内，其变化是成反比的.

以力传感器为核心的采集系统，将采集到的压力信号再通过处理电路，送入计算机进行分析，以达到指导训练的目的.

国内某研究所研制的柔性压力传感器阵列基本单元最大尺寸可达到1m×1.2m，点阵密度为4个压力敏感点/cm2，压力综合测量误差≤5％F.S.，测量范围是10～5000kPa.根据客户不同需要可定制各种形状﹑各类量程﹑不同厚度﹑不同尺寸的柔性压力传感器产品，可以检测回转曲面作用力，还做成数字鞋垫﹑数字跑道等运动产品.

在所有的击打类型的竞技项目中，如武术﹑拳击﹑击剑等训练中，都可应用相似的训练仪器.

3　其他体育方面中的检测技术

3.1运动生理检测技术

在高强度训练项目中，检测运动员骨骼疲劳度，对于提高运动员的身体素质和保护运动员的运动安全都有重要的意义.采用超声Lamb波在骨中传播的无损检测方法，以骨骼的杨氏模量为测量对象，当骨疲劳发生时，杨氏模量下降，改变色散曲线，利用相速度来逆向求杨氏模量，从而知道骨骼疲劳度，以达到精确无损检测的目的.

利用多维力传感器﹑高精度放大电路﹑测试平台和计算机组成的人体平衡测试系统，能够测量人体重心投影于地面的轨迹及其变化，运动员在进行大运动量时，实时监测人体的重心坐标，科学地分析人体的脑平衡能力，有效地预防疾病的发生.

3.2健身器材上的检测技术

在推动全民健身运动过程的同时，各种健身器材也在大力开发研制.小型的器材如电子握力器，则采用应变式传感器和数字电路，以显示所测试的前臂及手部肌肉的力量；大型的健身器材如智能跑步机，所用的传感器种类则更多：有速度﹑里程﹑重量﹑转速﹑心率传感器，使测试结果在电动跑步机上显示，这样，运动者在健身时，能够对自己的运动量﹑身体状况了如指掌.这些附加了科技含量的健身器材，比传统的器材更有趣味性和科学性，受到体育爱好者的喜爱.

3.3体育场馆中的检测技术

利用光生伏特效应Photovoltaic effect的光电传感技术，国家体育馆的训练馆屋顶﹑比赛馆屋顶和南面玻璃幕墙中均安装了太阳能电池板.它实质上是一个大面积的PN结，当阳光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势，从而，将光能转变成电能，经专用设备并网补充到低压配电系统，用于室内照明.太阳能是未来最清洁﹑安全和可靠的能源，把太阳能转化为电能，传感器技术功不可没.

水立方中，游泳池水温温度传感器的应用﹑池壁压力参数的检测﹑水位高度的控制﹑沐浴龙头等设备感应式冲洗阀，水表水量计量……

这些事例，无一不用到传感器技术.

4　检测技术在体育领域研究开发趋势

由于检测技术在信息测控系统中的重要作用，世界各国对其理论研究﹑新材料应用﹑产品开发都非常重视.体育比赛采用新的科学技术来保证公正公平，像一场球赛，如果有电子裁判的参与来判断球有没有过线，那就会大大减少判决的争议.在检测技术中，传感器属于前端部件，其性能好坏直接影响测试系统的精确性﹑可靠性﹑稳定性等指标.

光导纤维型传感器由于其抗干扰性强﹑灵敏度高﹑重量轻﹑体积小﹑适于遥测等特点正受到人们的普遍重视.目前已有不少成熟的产品问世，如光纤转矩传感器以及温度﹑振动﹑压力等传感器.

在开发利用新材料同时，由于微电子技术和微机械加工技术的发展，传感器正朝着微型化﹑多功能化﹑智能化方向发展.微型化传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件﹑信号调理器﹑数据处理装置集成封装在一块芯片上.由于其体积小﹑价格便宜﹑便于集成等特点，可以提高系统测试精度，例如把微型压力传感器和微型温度传感器集成在一起，同时测出压力和温度，便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响.目前已有不少微型传感器面世，如压力传感器﹑加速度计等.多功能化的特性使得传感器能够同时检测2个或2个以上的特性参数.

由于体育比赛被测对象多处于运动中，因此，GPS和无线传感网络有很大的发展空间.此外，检测技术在响应时间﹑电磁波干扰﹑输出与计算机的接口等问题也是重要的研究课题.随着电子技术的发展，检测技术必将在体育领域应用将越来越广.

参考文献:

〔1〕杨敏，等.柔性阵列式压力传感器的发展现状简介[J].航天器环境工程,2009,26(增12):112-115.

〔2〕张晓群,吕惠民.压力传感器的发展、现状与未来[J].半导体杂志,2000,25(1):47-50.

〔3〕吴荣军,张宝成,亢春梅.国外传感器市场发展现状及预测[J].传感器技术,2003,22(5):5-7.

〔4〕李琪.传感器技术在体育领域的应用现状与展望[D].山东:曲阜师范大学，2009.

〔5〕减育扬，杨迪，郭霞生.骨运动疲劳的超声检测研究[J].中国体育科技,2008,44(l):40-42.

〔6〕肖毅,刘宇.基于位移传感器的超等长重量训练系统研究[J].体育科学,2009,29(4):84-88.

〔7〕黄宝宏,王卫星,杨先军.跆拳道步法敏捷度训练仪的设计和应用[J].中国体育科技,2009,45(2):57-60.

基金项目：国家社科基金一般项目（15BTY013）

收稿日期：2015-10-23

中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）03-0149-04