一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置及其製作方法
2023-05-19 05:47:41 1
專利名稱：一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種柔性傳感裝置及其製作方法，特別是關於一種在佩戴頭盔、安全帽等防護頭具時，能夠精確測量頭部壓力的柔性傳感裝置及其製作方法。
背景技術：
頭盔、安全帽都是用來防止衝擊物傷害頭部的防護用品。隨著現代工作、生活的日益多樣化，人們對生命安全也愈來愈重視，頭部防護用品的使用方面也越來越廣泛，大致可分為軍事、工作、運動三類。佩戴頭盔、安全帽等防護用品可以有效保護生命，但是由於對它們性能的特殊要求，使得它們都具有可觀的重量，如世界上發達國家規定的安全帽的重量一般都在400g至500g。若要測量人在佩戴頭盔、安全帽等防護用品時，頭部各點所受的壓力，首先要求壓力傳感裝置能夠測量曲面，且要有一定的柔性。對近似於平面的接觸面，傳統的壓力傳感器採用平鋪的布局方式可以很好的完成任務，但是對於曲率變化較大的曲面結構，傳統的布局方式難以獲得精確、可靠的數據。CN200710094157. 5提出一種測量臀部曲面形態及其法向壓力分布的裝置和測量方法，其是採用液壓連通器獲取單點或分布不均勻的壓力信息，難以形成規律的矩陣式的結構，同時也不適用於頭頂分布壓力的測量；實用新型專利200920080140. 9提出一種基於測壓平板的三維曲面測量裝置，它使用傳統的布局方式，不具備延展性，且難以緊密貼合曲面，不易於獲得頭部壓力的精確、可靠的數據。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種在佩戴頭盔、安全帽等防護頭具時，用於精確測量頭部壓力的柔性傳感裝置及其製作方法。為實現上述目標，本發明採取以下技術方案一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特徵在於它包括能夠與頭部曲面形狀貼合的一底面矽膠層，所述底面矽膠層上表面設置有由若干壓力傳感器和縱橫連接各壓力傳感器的導線組成的矩陣網絡，所述矩陣網絡的外面通過導線連接一用於供電的電源模塊和一用於輸出各所述壓力傳感器信息的採集控制豐吳塊。所述米集控制模塊包括一選通模塊、一運放模塊和一 A/D轉換模塊；所述選通模塊包括若干選通開關，每一所述選通開關都連接所述矩陣網絡的一行或一列，所述運放模塊包括若干運放通道，每一所述運放通道都連接所述矩陣網絡的一列或一行，每一被選通的行或列上的所述壓力傳感器感應的電流值，均通過其所在列或行的所述運放通道放大後送入所述A/D轉換模塊，進行轉換後輸出。所述壓力傳感器採用片層式結構的應變電阻式傳感器。一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，包括以下步驟1)選定一個頭模，在頭模上設置一層矽膠，形成一底面矽膠層；2)待底面矽膠層幹固後，用剪刀裁剪出底面矽膠層的下沿；3)在底面矽膠層上做出將頭模分成左、右對稱兩部分的中軸面，並定義其與底面矽膠層的交線為縱向中軸線；4)垂直於中軸面做奇數個等分橫切面，並定義每一橫切面與底面娃膠層的交線為橫向頭圍線，每一橫向頭圍線的兩端分別與底面娃膠層的下沿有一交點；5)平行於中軸面做若干等分縱切面，定義每一縱切面過前、後對稱兩交點，且與底面矽膠層的交線為縱向頭圍線；6)在每一所述交點，以及每一所述橫向頭圍線與所述縱向頭圍線的交點上，分別粘接一壓力傳感器；7)將相鄰的所述壓力傳感器通過彎曲或盤繞的曲線作為導線焊接連接，形成一由所述壓力傳感器和所述導線組成的矩陣網絡；8)在矩陣網絡的外部通過導線連接一用於供電的電源模塊和一用於採集各壓力傳感器信息的採集控制模塊；9)在矩陣網絡和底面矽膠層上塗覆一層矽膠形成一頂面矽膠層，待頂面矽膠層幹固後，用剪刀剪出與底面矽膠層相同形狀的下沿即成。所述底面矽膠層和頂面矽膠層採用蘸取工藝和手糊工藝相結合的方式製作而成。所述橫切面的數量為13或15或17。所述壓力傳感器採用片層式結構的應變電阻式傳感器。本發明由於採取以上技術方案，具有以下優點1、本發明裝置由於設置了一底面矽膠層和一頂面矽膠層，因此其既為壓力傳感器陣列提供了均勻的承載面，又起到電氣絕緣的作用，從而保證了壓力傳感器陣列的穩定工作。2、本發明裝置由於在底面矽膠層和頂面矽膠層之間設置有一由壓力傳感器組成的矩陣網絡，且相鄰的壓力傳感器通過盤繞成曲線的導線焊接連接，因此本發明裝置具有很好的曲面貼合性和延展性，特別適合用於對曲率變化不規則的人體頭部所承受的壓力進行測量。3、本發明裝置在矩陣網絡的外部設置有一包括選通模塊、運放模塊和A/D轉換模塊的採集控制模塊，選通模塊用於控制矩陣網絡的行或列的選通，當某一行或列被選通之後，通過運放模塊的各運放通道輸出的該列或行中的壓力傳感器感應的電流值，並輸出給A/D轉換模塊進行A/D轉換，完成該行或列中各個壓力傳感器的壓力輸出，因此可以對被選通的行或列中的所有壓力傳感器同時進行電流測量，速度快且互不幹擾。4、本發明裝置由於在頭部曲面上布置的壓力傳感器，為片層式結構的應變電阻式傳感器，輸入恆定的電壓時將輸出與施加壓力成線性相關的電流值，因此，本發明具有精度高、反應速度快、測量方便的特點。5、本發明裝置確定壓力傳感器布置位置的方法，實際上是採用平面矩陣在曲面上的投影來確定，該方法不但簡單，而且可以有效地保證壓力傳感器布置均勻、有規律。6、本發明製作時橫切面的個數為13或15或17，且縱切面的個數與橫切面相同，使得各壓力傳感器之間的距離約為20mm，可以滿足現有傳感器尺寸下密集布置的要求。7、本發明裝置的底面矽膠層和頂面矽膠層在實際生產中，可以採用矽膠模和真空注型機來製作，可實現大規模成批製作。本發明適用性廣，既為頭部曲面壓力的測量提供有效、可靠的方式，又可以用於其它曲面壓力的測量。
圖1是本發明的結構示意2是本發明採集控制模塊的結構示意3是圖1的壓力傳感器和導線的局部放大4是本發明佩戴效果的俯視5是本發明橫向頭圍線確定方法示意6是本發明矩陣網絡確定方法示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明裝置包括一與頭部曲面形狀緊密貼合的底面矽膠層1，在底面矽膠層I上表面設置有由若干壓力傳感器2和縱橫連接各壓力傳感器2的導線3組成的矩陣網絡4，在矩陣網絡4的外面通過導線連接一電源模塊5和一採集控制模塊6，在矩陣網絡4和底面矽膠層I上設置有一頂面矽膠層7，頂面矽膠層7將底面矽膠層1、壓力傳感器2和導線3粘接成一個整體，形成一柔性傳感裝置。電源模塊5為壓力傳感器2和採集控制模塊6供電。如圖2所示，採集控制模塊6包括一選通模塊61、一運放模塊62和一 A/D轉換模塊63。選通模塊61包括若干選通開關64，每一選通開關64都與矩陣網絡4的一行相連(以行選通為例)；運放模塊62包括若干運放通道65,每一運放通道65都與矩陣網絡4的一列相連。如圖3、圖4所示，矩陣網絡4中連接各相鄰壓力傳感器2之間的導線3均採用彎曲或盤繞的曲線方式進行連接，這樣在佩戴測量的時候，可以使整個矩陣網絡4具有很好的延展性能，再加之底面矽膠層I和頂面矽膠層7自身的可抻拉性能，使本發明裝置具有非常好的柔性。上述實施例中，選通模塊261和運放模塊262的連接位置是可以有所變化，比如將每一選通開關64都與矩陣網絡4的一列相連，而將每一運放通道65都與矩陣網絡4的一行相連。上述實施例中，壓力傳感器2可以採用片層式結構的應變電阻式傳感器，比如壓力傳感器2採用Tekscan公司的微型壓力傳感器，其具有體積小，安裝簡單等特點。當輸入恆定的電壓時，壓力傳感器將輸出與施加壓力成線性相關的電流值。本發明裝置當有頭盔、安全帽等防護頭具佩戴在頭模上進行壓力測量時，選通開關64控制矩陣網絡4中各行的選通(以行選通為例，但不限於此)，當某一行的壓力傳感器2被選通之後，每一列的運放通道65便會採集並放大該列被選中的一個壓力傳感器2感應的電流值，並經給A/D轉換模塊63轉換後輸出，從而完成該行中各個壓力傳感器2的電流輸出。選通模塊61依次選通矩陣網絡4的每一行，則可以完成整個矩陣網絡4中各壓力傳感器2的電流輸出。本發明裝置的製作方法包括以下步驟I)如圖5所不,選定一個頭模,在頭模上設置一層娃膠,形成一底面娃膠層I ;2)待底面矽膠層I幹固後，用剪刀裁剪出底面矽膠層I的下沿11 ；3)在底面矽膠層I上做出將頭模分成左、右對稱兩部分的中軸面，並定義其與底面矽膠層I的交線為縱向中軸線12 ；4)垂直於中軸面做奇數個等分橫切面，並定義每一橫切面與底面矽膠層I的交線為橫向頭圍線13,每一橫向頭圍線13的兩端分別與底面娃膠層I的下沿11有一交點14 ；5)如圖6所示，平行於中軸面做若干等分縱切面，定義每一縱切面過前、後對稱兩交點14，且與底面矽膠層I的交線為縱向頭圍線15 ；6)如圖1、圖6所示，在每一交點14，以及每一橫向頭圍線13與縱向頭圍線15的交點16上，分別粘接一壓力傳感器2 ；
7)將相鄰的壓力傳感器2通過彎曲或盤繞的曲線作為導線3焊接連接，形成一由壓力傳感器2和導線3組成的矩陣網絡4 ；8)在矩陣網絡4的外部通過導線連接一用於供電的電源模塊5和一用於採集各壓力傳感器2信息的採集控制模塊6 ；9)在矩陣網絡4和底面矽膠層I上設置一層矽膠形成一頂面矽膠層7，待頂面矽膠層7幹固後，用剪刀剪出與底面矽膠層I相同形狀的下沿11即成。上述實施例中，底面矽膠層I和頂面矽膠層7可以採用蘸取工藝和手糊工藝相結合的方法進行製作，在實際大批量生產中，也可以採用矽膠模具和真空注型機的方式進行製作；上述實施例中，橫切面的個數可以是13或15或17。上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
權利要求
1.一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特徵在於它包括能夠與頭部曲面形狀貼合的一底面矽膠層，所述底面矽膠層上表面設置有由若干壓力傳感器和縱橫連接各壓力傳感器的導線組成的矩陣網絡，所述矩陣網絡的外面通過導線連接一用於供電的電源模塊和一用於輸出各所述壓力傳感器信息的採集控制模塊。
2.如權利要求1所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特徵在於所述採集控制模塊包括一選通模塊、一運放模塊和一 Α/D轉換模塊；所述選通模塊包括若干選通開關， 每一所述選通開關都連接所述矩陣網絡的一行或一列，所述運放模塊包括若干運放通道， 每一所述運放通道都連接所述矩陣網絡的一列或一行，每一被選通的行或列上的所述壓力傳感器感應的電流值，均通過其所在列或行的所述運放通道放大後送入所述Α/D轉換模塊，進行轉換後輸出。
3.如權利要求1或2所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特徵在於所述壓力傳感器採用片層式結構的應變電阻式傳感器。
4.如權利要求1 3任一項所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，包括以下步驟O選定一個頭模，在頭模上設置一層娃膠，形成一底面娃膠層；2)待底面矽膠層幹固後，用剪刀裁剪出底面矽膠層的下沿；3)在底面矽膠層上做出將頭模分成左、右對稱兩部分的中軸面，並定義其與底面矽膠層的交線為縱向中軸線；4)垂直於中軸面做奇數個等分橫切面，並定義每一橫切面與底面矽膠層的交線為橫向頭圍線，每一橫向頭圍線的兩端分別與底面矽膠層的下沿有一交點；5)平行於中軸面做若干等分縱切面，定義每一縱切面過前、後對稱兩交點，且與底面矽膠層的交線為縱向頭圍線；6)在每一所述交點，以及每一所述橫向頭圍線與所述縱向頭圍線的交點上，分別粘接一壓力傳感器；7)將相鄰的所述壓力傳感器通過彎曲或盤繞的曲線作為導線焊接連接，形成一由所述壓力傳感器和所述導線組成的矩陣網絡；8)在矩陣網絡的外部通過導線連接一用於供電的電源模塊和一用於採集各壓力傳感器信息的採集控制模塊；9)在矩陣網絡和底面矽膠層上塗覆一層矽膠形成一頂面矽膠層，待頂面矽膠層幹固後，用剪刀剪出與底面矽膠層相同形狀的下沿即成。
5.如權利要求4所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，其特徵在於 所述底面矽膠層和頂面矽膠層採用蘸取工藝和手糊工藝相結合的方式製作而成。
6.如權利要求4所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，其特徵在於 所述底面矽膠層和頂面矽膠層採用在真空注型機上設置矽膠模具的方式製作而成。
7.如權利要求4或5或6所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，其特徵在於所述橫切面的數量為13或15或17。
8.如權利要求4或5或6所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，其特徵在於所述壓力傳感器採用片層式結構的應變電阻式傳感器。
9.如權利要求7所述的一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置的製作方法，其特徵在於所述壓力傳感器 採用片層式結構的應變電阻式傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種測量頭部壓力的柔性傳感裝置及其製作方法，所述裝置包括能夠與頭部曲面形狀貼合的一底面矽膠層，所述底面矽膠層上表面設置有由若干壓力傳感器和縱橫連接各壓力傳感器的導線組成的矩陣網絡，所述矩陣網絡的外面通過導線連接一用於供電的電源模塊和一用於輸出各壓力傳感器信息的採集控制模塊。本發明具有較好的柔性，可以緊密地貼合頭部曲面，特別適用於在佩戴頭盔、安全帽等防護用品時，測量頭部各點所受的壓力。
文檔編號G01L1/22GK103048068SQ20131001455
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者陳曉, 蔣毅, 祖媛媛, 鈕建偉, 周宏 , 王英澤, 王啟志 申請人:中國人民解放軍總後勤部軍需裝備研究所