新型服装压力测试装置开发与数据校准

费文昌　陈慰来

摘要：基于Flexiforce传感器开发一种新型的服装压力测试系统。通过加载1 V的驱动电压和100 kΩ的参考电阻，并测量输出电压对Flexiforce传感器与MCP6004四通道精密运算放大电路进行数据的校准。结果表明：在传感器所受到的压力载荷在量程范围内，Flexiforce传感器与放大电路的校准数据具有很高的准确度；输出电压与传感器所受载重为线性拟合关系，其中拟合曲线决定系数R2为0.987 65；传感器的电阻与所受载荷为非线性的反比例拟合关系，拟合曲线和实际测量数据曲线具有良好的吻合程度，因此服装压力测试系统具有很高的可行性。

关键词：Flexiforce传感器；服装压力；数据校准；输出电压；载荷；拟合曲线

中图分类号：TS103.6

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）05-0076-05

Abstract：A newtype clothing pressure testing device was developed on the basis of Flexiforce sensor. Data calibration was carried out by loading 1V drive voltage and 100 kΩ reference resistor and measuring the output voltage of the Flexiforce sensor and the MCP6004 fourchannel precision opamp circuit. The results show that the calibrated data of the Flexiforce sensor and amplifier is of high accuracy as long as the pressure load on the sensor is within the range limit； the output voltage has linear fitting relationship with the load on the sensor， of which determination coefficient R2 of the fitting curve is 0.987 65；the resistance of the sensor has nonlinear inverse fitting relationship with the load thereon. The fitting curve highly coincides with the measured data curve. Thus， the clothing pressure testing system is of high feasibility.

Key words：Flexiforce sensor； clothing pressure； data calibration； output voltage； load； fitting curve

人们对于服装压力带有消极的看法，一直认为服装压力会对人体产生不良的影响，并由此都偏好极其宽松的服装。但实际上适当的服装压力对于生理健康具有积极的作用，服装压力是服装行业的一个重要研究课题，适度的服装压力对维护人体的健康、提高生活质量有重要意义[1]。在一定的服装压力下，人体的静脉血液循环明显加快，褪黑激素明显增加。现阶段，对于人体服装压力也越来越多的应用到运动、医疗等各个不同的领域。在适合的服装压力下，人体在运动过程中能极大的减轻疲劳、增强生理机能，满足心理和生理上舒适的需要，在一定压力紧度的医用绷带，不但有助于伤口的平稳愈合，并且可以缓解因伤而留下的伤疤；一定压力梯度的袜子，可以有效的防止静脉曲张，更好促使脚部血液回流至心脏。其中运动状态时皮肤受压值为最大，其变化也为最大，因而对生理指标的影响最为显著，适当的服装压力可以增强人体运动活力，改善运动心理状态[2]。但过度的压力，特别是当颈部受压超过1.2 kPa时，会对人体的心率和血压造成不良的影响，人体各项指标也会明显下降。不同体形的人的不同部位以及人在不同状态下对舒适服装压力的要求也各不相同[3]。

人体在穿上服装以后，就会产生一定的服装压力，这种服装压力可以分为两种形式，一种是由于服装自身重量，而产生的对于人体的压力；另一种是由于服装在穿着的过程中由于与人体形态尺寸的差异而产生的形变而产生的对人体的压力。在大多数情况下，特别是针织服装，由服装自身重量而产生的对人体的压力往往很小，从而忽略不计，主要研究因服装的弹性形变而对于人体的服装压力。服装压力的客观测量法包括直接测量法和间接测量法[4]，传统客观测量服装压力的方法是先直接测量人体各个部位的服装压力值然后比较人体各部位服装压力与服装款式及尺寸之间的对应关系，这些方法虽然能够得到一些人体各部位压力与服装款式及尺寸结构之间的某种对应关系，但精确度并不高，并不能准确的描述人体与服装间存在的多方面复杂关系[5]。现阶段服装压力分布与预测的发展趋势和方向大概分为服装压力分布预测模型和三维模拟显示、服装动态压力舒适性的研究、服装机能与人体机能有机结合等方面进行[6]。本文主要基于压敏半导体材料Flexiforce为压力测量传感器来进行新型的服装压力测试系统的开发，并通过对服装压力的实时快速准确的测量为服装压力分布与预测提供更加科学和合理的理论依据。

1服装压力客观测量方法综述

服装压力测试包括两种方向，一种是客观测试，主要依靠传感器等仪器设备进行客观测试并得到客观数值的服裝压力值；另一种是主观测试，主要是依靠人为的心理和生理感受来主观判断服装压力的大小松紧舒适程度。服装压力的快速、精确客观测量，是研究服装压力大小对人体各项生理指标影响的基础，也是人体服装压力研究最为重要的部分。

1.1流体压力测量方法

流体测量法是最直接也是最为简单的测量方法。如图1，其中橡胶球为感应服装压力的感应装置，测量时将橡胶球放入需要测量的部位，橡胶球与皮肤的接触面积大概为20 cm2，由于橡胶球的压力变化，所以只需读取玻璃管内水银柱高度的变化就可以得到所受压力的变化。橡胶球在不受力时，水银高度刚刚好指向零刻度线，所以只需要读取水银柱最终指向的刻度就可以得到皮肤所受的服装压力值。这种服装压力的测试方法直观，原理简单，成本相对低廉，仪器结构较为简单，但是测量过程中，由于橡胶球里面的空气容易受到温度的影响从而影响测量的真实结果，所以最终测量数据真实性有待考量，测量的部位也有一定的要求，这种流体测量装置对于膝盖、肘部等特殊部位無法进行测量，并且无法在人体运动是测量。

1.2弹力光纤压力测量方法

弹力光纤测试系统主要是利用弹力光纤在外部压力的作用下，使装置的外射光线的数量相对的进行减少，通过光电二极管将减少的外射光线相对应的变为电信号，这样成功的将外部的压力转变为了电信号，且外部压力与电信号的线性相关度高，如图2。此测量装置主要采用氦氖激光发生器来产生光源，由于光线的单色性好，且电信号的强度用电子伏特计数，弹力光纤的外力大小可通过测量逸出的关系数量来获得[7]。所以此测试方法测量的灵敏度和准确度很高，此装置可以很好的与计算机系统相结合，可以连续的动态测量，适合服装压力的测试，但是装置成本较高。

1.3电阻压力测量方法

电阻压力测量方法主要是利用电阻应变片在一定压力的作用下，应变片的电阻会发生规律性的变化，通过将电阻的变化转变为电信号的变化从而得到相应的所受到的服装压力值。压力的变化与电阻的变化线性相关度高。该测量装置体积小，重量轻，测量精度高，测试结果非常稳定，特别是现有的柔性织物应变片压力电阻传感器具有非常稳定的测量准度。但测量成本较高，本文所用测量传感器Flexiforce也是一种柔性电阻式传感器。

2采用Flexiforce传感器的新型服装压力的测量装备

2.1Flexiforce压力传感器

Flexiforce是美国Tekscan公司研制的压力传感器，传感器主要是将压力信号可以通过传感器电阻值的相关变化来进行捕捉。Flexiforce是一种超薄柔性电阻式压力传感器，由于其有类似于织物般柔软和纸张般厚度，可弯曲性能很好，所以在很多的环境中可以用来测量压力的大小，与其他传统的服装压力分布测试相比，Flexiforce压力传感器厚度小，韧度好，Flexiforce有很好的压力与电阻的线性相关性能[8]。传感器的有效传感区域为直径为9.53 mm的圆，Flexiforce压力传感器是由两层衬底组成，衬底采用聚酯纤维薄膜制作，里面主要采用对压力敏感的墨水作为压力感应装置，用银做导电材料。Flexiforce传感器尾端共有3个接头，只有两边的输出线是可以工作的。Flexiforce传感器的用途很广，包括医疗用测试牙齿咬合力，老人监护报警系统等；在工业上也运用很广泛，包括拖车刹车系统监控，电脑芯片和自动化生产等等可以广泛的监控压力或者受力情况。Flexiforce的量程不同，功能也不相同，本文所用服装压力测量系统所用型号为Sensor A201，其量程为0～4.4 N。其中传感器的规格如表1所示。

2.2新型服装压力测试的工作原理

由于本文主要利用Flexiforce压力传感器测量人体的服装压力，所用传感器量程为0～4.4 N，即最大的量程为4.4 N，传感器在不受外力的作用下，其电阻为5 MΩ以上，在满量程4.4 N的外力作用下，电阻的单位也是MΩ级别。在如此大的电阻下，传感器无法直接进行A/D转换，数据无法得到准确的处理，并且数据的精度不高，因此，必须使用放大电路对模拟电信号进行放大。本文所用放大器为MCP6004四通道精密运算放大电路，传感器与放大电路图的连接图如下图3所示。

图3中，Rs是Flexiforce传感器的可变电阻，电阻随着传感器所受外界的压力的变化而变化。VT为1 V的驱动电压。RF是参考电阻，可以改变其电阻大小，可对应改变压力测试系统的灵敏度。MCP 6004为四通道精密运算放大电路，其驱动电压为5V。该电路图基于传感器电阻和固定参考电阻使用反向运算放大器装置来产生模拟输出。其中：Vout=VT*（RF/RS），由此也可知，VoutVT=RFRS，即输出电压与驱动电压之间的比值等于参考电阻与传感器电阻之间的比值。由于驱动电压与参考电阻为测量变量，可以调节参考电阻和驱动电压来调节传感器的灵敏度。

2.3数据校准及测试

在此测量系统中，为了保证电路的线性度和数据的准确度，需要对测试的电路进行校准和电路的静态标定。通过对传感器反复循环加载重量不超过量程的标准砝码，并通过测量Vout，得到Flexiforce传感器相应的电阻值，验证测量系统的准确性。测量数据如表2所示，其中，当传感器不加载电阻时，传感器的电阻大于5 MΩ，测试时不考虑传感器在不加载电阻的情况。Vout用数字万用表进行测量，其中参考电压RF的电阻值越大，此处采用100 kΩ的参考电压。

2.4数据采集与处理

输出电压模拟信号的采集与处理主要通过A/D转换器与单片机来完成，数据采集的核心器件是A/D转换器[9]，本系统主要采用美国国家半导体公司生产的8位分辨率、双通道ADC0832型号A/D转换芯片。ADC0832转换器具有较好的采样率、分辨率和精度，为双数据输出，并作为数据的检验，转换速度快，且准确率较高。输出电压模拟信号经过A/D转换器后转变为数字信号，在经单片机处理后变可将输出电压变为传感器的载重即服装压力值。本系统主要采用可编程可擦除只读存储的低电压、高性能CMOS的8位微处理器AT89C51型单片机。AT89C51型单片机一共有40个引脚，单片机主要是通过串行接口与外部设备进行数据的通信，串行通信接口简单，所需要的传输线少，且适合远程通信。单片机主要采用I2C总线，I2C总线可以之间和具有I2C接口的单片机进行通信，也可以和各种类型的外围设备器件进行通讯。I2C采用两线制，包括数据线SAD和时钟线SCL构成，最后测量数据在LED上显示。

3结语

本文主要基于Flexiforce压力传感器设计并开发出的一种新型的服装压力测试装置，Flexiforce压力传感器一种超薄柔性电阻式压力传感器，弯曲性能好，适用于各个部位的服装压力测量。通过对Flexiforce压力传感器加载一定梯度的载荷，并測量Flexiforce传感器与放大电路的输出电压来校准压力测试装置的稳定性和准确度。结果表明，在传感器所受到的压力载荷在量程范围内，Flexiforce传感器与放大电路的校准数据具有很高的准确度，服装压力测试装置具有良好的可行性。该服装压力测试装置与传统的服装压力测试装置相比具有更好的可操作性和成本优势，可通过对人体各个部位服装压力更加快速和准确的客观测量，可为人体各个部位服装压力的分布与预测提供更加科学和合理的理论依据，也可为服装压力的舒适性研究提供可靠的技术支持。

参考文献：

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[10] 唐明飞，高晓，丁张春丽，等.基于AVR单片机的服装压力检测系统设计[J].现代电子技术，2010（13）：166-167.

（责任编辑：陈和榜）