[發(fā)明專利]一種測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的凝膠電容式傳感器及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611095677.3
• 申請(qǐng)日: 2016-12-02
• 公開（公告）號(hào): CN106768508B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬國亮;徐明龍;雷俊琪;周媛;宋思揚(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/14
• 分類號(hào): G01L1/14;A61B5/22;A61B5/11
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

1.一種測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的凝膠電容式傳感器測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的方法，所述測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的凝膠電容式傳感器，包括中間絕緣介質(zhì)(3)，粘接于中間絕緣介質(zhì)(3)上層的上層離子凝膠陣列(2)和下層的下層離子凝膠陣列(4)；上層離子凝膠陣列(2)的上表面粘貼一層上層絕緣介質(zhì)(1)，下層離子凝膠陣列(4)的下表面粘貼一層下層絕緣介質(zhì)(5)；金屬電極(6)粘貼于上層絕緣介質(zhì)(1)與上層離子凝膠陣列(2)的連接處以及下層絕緣介質(zhì)(5)與下層離子凝膠陣列(4)的連接處；紐扣電池(8)、控制采集模塊(9)和藍(lán)牙模塊(10)集成在電路板(11)上，通過導(dǎo)線(7)連接金屬電極(6)，紐扣電池(8)為上層離子凝膠陣列(2)和下層離子凝膠陣列(4)供電；所述上層離子凝膠陣列(2)和下層離子凝膠陣列(4)采用柔軟、透明的PVA凝膠；上層絕緣介質(zhì)(1)、中間絕緣介質(zhì)(3)、下層絕緣介質(zhì)(5)采用柔軟、透明的硅膠；所述上層離子凝膠陣列(2)、下層離子凝膠陣列(4)、上層絕緣介質(zhì)(1)、中間絕緣介質(zhì)(3)和下層絕緣介質(zhì)(5)的厚度為微米量級(jí)；

其特征在于：所述測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的方法為：在交流電供電時(shí)，上層離子凝膠陣列(2)和下層離子凝膠陣列(4)的離子凝膠單元的金屬電極-離子凝膠界面產(chǎn)生兩個(gè)雙電層，電容為Cd_i，與中間絕緣介質(zhì)電容Cs_i串聯(lián)；金屬電極和離子凝膠中的電荷分布距離是納米量級(jí)，中間絕緣介質(zhì)上下表面的電荷分布距離是微米量級(jí)，估計(jì)Cd_i/Cs_i≥10⁵，因此測(cè)得電容中間絕緣介質(zhì)(3)的厚度為d，與離子凝膠單元接觸面積為s，在初始狀態(tài)下電容值為ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為相對(duì)介電常數(shù)；設(shè)彈性體變形后體積不變，在足底壓力作用下，絕緣介質(zhì)長(zhǎng)度被拉伸為λ倍，厚度會(huì)被壓縮為倍，面積被拉伸為λ²倍，則受壓后的電容值為C_i＝λ⁴Cs_i0；控制采集模塊(9)打開控制開關(guān)測(cè)得某個(gè)電容信號(hào)C_i或全部電容信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)U_i，由藍(lán)牙模塊(10)發(fā)送到手機(jī)，通過計(jì)算得到足底各部分壓力P_i和總壓力P，P_i＝kU_i；k為壓力與電壓的比例系數(shù)；某個(gè)離子凝膠單元的動(dòng)態(tài)電容信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)U_i(t)峰峰值之間的間隔t即為步幅周期或跳躍周期，一定時(shí)間T內(nèi)的步數(shù)或起跳次數(shù)

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的方法，其特征在于：所述上層離子凝膠陣列(2)和下層離子凝膠陣列(4)由六邊形離子凝膠單元組成，在有測(cè)量精度要求時(shí)，減小上層離子凝膠陣列(2)和下層離子凝膠陣列(4)的六邊形離子凝膠單元的尺寸，增加總體六邊形離子凝膠單元數(shù)量，或在壓力大的部位增加六邊形離子凝膠單元數(shù)量。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量足底壓力及動(dòng)態(tài)變化的方法，其特征在于：每個(gè)所述六邊形離子凝膠單元由單獨(dú)電路連接，最后合成一條總線連接控制采集模塊(9)，通過測(cè)量每個(gè)六邊形離子凝膠單元的信號(hào)，反映足部實(shí)時(shí)的壓力分布情況；所述電路板(11)上布置DC/AC電路將紐扣電池(8)的直流電信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流電信號(hào)，給離子凝膠供電，避免材料特性改變；

所述金屬電極(6)與上層離子凝膠陣列(2)和下層離子凝膠陣列(4)形成電子-離子混合電流回路傳遞電信號(hào)；由于電壓降大都發(fā)生在中間絕緣介質(zhì)(3)上，金屬電極-電解質(zhì)交界面的雙電層處電壓降遠(yuǎn)小于1V，離子凝膠不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因此，能夠采用低電壓紐扣電池(8)供電；

所述電路板(11)集成控制采集模塊(9)、藍(lán)牙模塊(10)和紐扣電池(8)安裝于鞋幫根部。