一种基于时域反射法的人体压力分布测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及人体压力分布测量的敏感结构及压力测量方法技术领域，特别是涉及一种基于时域反射法的人体压力分布测量装置及测量方法。

背景技术

人体压力分布信息在医学、康复学和人体工学方面具有重要的应用价值。人体局部区域的压力分布，例如手部、足部、背部及人体坐姿下的压力分布，对于疾病诊断、肌肉损伤状态及康复效果检验、位姿矫正是最为直观的信息。

目前的人体分布压力检测装置多是基于阵列式薄膜压力传感器，以阵列形式分布于测量区域，每个传感器配备信号处理模块。这种传感器布置方式使得压力测量分辨率较低，否则信号处理模块将变得异常复杂。

常用的压力传感器可分为压阻式、电容式和压电式，电容式需要复杂的信号处理电路，压电式对外部噪声敏感，抗扰性差；压阻式是目前人体分布压力传感器中最为常用的一种，测量简单且抗扰性好，但需要做成分体式传感器，提高压力测量分辨率较为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时域反射法的人体压力分布测量装置及测量方法，解决目前人体压力分布测量中传感器阵列数量提升困难，致使压力分布测量分辨率较低，无法获取完整的压力分部信息，无法实大面积人体压力分布测量，本发明采用基于时域反射方法的人体压力分布测量，使用柔性传输线作为测量传感器，克服传感器矩阵测量的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于时域反射法的人体压力分布测量装置，包括：

测量部：用于获取测量数据；

时域反射测量部：用于基于所述测量数据反应特征阻抗沿线分布情况；

上位机：用于显示所述分布情况；

其中，所述测量部与所述时域反射测量部通过同轴电缆连接，所述时域反射测量部与所述上位机通过通用接口总线连接。

优选地，所述同轴电缆为50欧姆同轴电缆。

优选地，所述测量部包括测量装置和SMA同轴连接器，所述测量装置与所述SMA同轴连接器焊接。

优选地，所述测量装置包括聚酰亚胺绝缘薄膜、铜箔、硅胶和铝板，所述聚酰亚胺绝缘薄膜、所述铜箔、所述硅胶和所述铝板均用粘结剂粘合连接。

优选地，所述铜箔与所述铝板构成传输线，所述传输线的两端分别与所述SMA同轴连接器焊接。

优选地，所述传输线的特征阻抗通过控制所述铜箔宽度、所述铜箔与所述铝板之间的间距以及所述硅胶层的介电常数和磁导率确定。

优选地，所述时域反射测量部通过通用接口总线将测量数据送至所述上位机，所述上位机对所述测量数据进行处理并显示压力分布情况。

为了实现上述目的，本发明还提供了基于时域反射法的人体压力分布测量装置的测量方法，包括:

分别通过时域反射测量部测量未被人体接触的测量部中传输线的特征阻抗沿线分布情况Z

将所述Z

优选地，通过测量所述特征阻抗，实现对单位分布电容的测量，通过查表法获得硅胶层的厚度h，并通过人体接触前后的两次特征阻抗测量获得硅胶的高度变化量△h，基于所述硅胶的高度变化量△h，通过胡克定律，获取接触位置的压强值P，获得所述传输线不同位置处的压强值后转换为平面压力分布云图，基于所述上位机进行显示。

本发明的有益效果为：

本发明对于压力的测量可以做到连续测量，而不是使用分立的点位测量，只要铜箔铺设路径上的压力值都可以获得；测量简单，不用使用多组信号处理电路，使用时域反射计单次测量就可以获得整个压力分布图。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于时域反射法的人体压力分布测量装置示意图；

图2为本发明实施例中测量垫结构示意图；

图3为本发明实施例中基于时域反射法的人体压力分布测量装置的测量方法流程图；

图4为本发明实施例中测量垫施加压力前后示意图，其中(a)为未施加压力时的测量垫，(b)为施加压力后的测量垫；

图5为本发明实施例中压力变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种基于时域反射法的人体压力分布测量装置，如图1，包括：

测量垫：用于获取测量数据；

时域反射计：用于基于所述测量数据反应特征阻抗沿线分布情况；

上位机：用于显示所述分布情况；

其中，所述测量垫与所述时域反射计通过同轴电缆连接，所述时域反射计与所述上位机通过通用接口总线连接。

测量垫两个SMA同轴连接器分别接50欧姆电阻和时域反射计(TDR),TDR测量数据通过通用接口总线(GPIB)将测量数据送至上位机，上位机处理数据并显示压力分布情况。

测量垫结构如图2所示，共有四层结构，第一层为聚酰亚胺绝缘薄膜，第二层为铜箔，第三层为硅胶，第四层为铝板作为底板。各层之间用粘结剂粘合。铜箔与铝板构成50欧姆特征阻抗的传输线，传输线特征阻抗主要通过控制铜箔宽度、铜箔与铝板之间的间距以及硅胶层的介电常数和磁导率。测量垫中所制作的传输线两端分别接SMA同轴连接器。

SMA同轴连接器连接时，铜箔和连接器中间的插针焊接在一起，同轴连接器的外壳(螺纹部分和底座是一体的)与铝板焊接在一起；这样测量垫就可以跟时域反射计的测试端口相连(时域反射计测试端口也是同轴的，可以用同轴电缆和连接器相连)；测量垫的另一端口连接50欧姆电阻。测量垫的表面使用聚酰亚胺薄膜层主要是起到绝缘作用，同时也是方便在其上制作铜箔传输线；中间硅胶层用来承担人体压力产生形变；底层铝板作为电路回流路径(接地)，是传输线的参考导体。

本发明还提供了基于时域反射法的人体压力分布测量装置的测量方法，如图3，包括:

使用时域反射计测量未被人体接触的测量垫中传输线的特征阻抗沿线分布情况Z

使用时域反射计测量与人体接触后的测量垫中传输线的特征阻抗沿线分布情况Z

上述数据传送至上位机，进行数据处理和显示；

由于传输线的特征阻抗由下式决定：

其中L

C

单位长分布电容C

获取硅胶的厚度变化量△h后，通过如下式所示胡克定律，即可获取该位置的压强值P。其中，E为硅胶的弹性模量。

获得传输线不同位置处的压强值后，通过传输线敷设位置转换为平面压力分布云图。

通过仿真验证了本发明的效果，如图4所示，其中图4(a)为未施加压力的测量垫，图4(b)为施加压力后的测量垫，分别测量传输线中特征阻抗的分布情况。从图5中可以看出，施加压力后的测量垫由于发生了形变，传输线的特征阻抗与未施加压力时相比，在压力施加位置出现明显的变化，可以用来指示压力变化。

本发明与其他发明最大的区别在于，对于压力的测量可以做到连续测量，而不是使用分立的点位测量，只要铜箔铺设路径上的压力值都可以获得；另外就是测量简单，不用使用多组信号处理电路，使用时域反射计单次测量就可以获得整个压力分布图；与其他使用铜箔的压力测量装置相比，本文的方法不是测量单点的压力，而是通过时域反射测量的沿线压力分布。已有压力测量机构确实是有很多采用本发明类似多层结构，但是都是针对单点压力测量，不是沿线的压力测量。已有装置要实现本发明类似效果，需要多个传感器排列成所需形状才可。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。