專利名稱：一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柔性傳感裝置及其制作方法，特別是關(guān)于一種在佩戴頭盔、安全帽等防護(hù)頭具時(shí)，能夠精確測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置及其制作方法。
背景技術(shù)：
頭盔、安全帽都是用來(lái)防止沖擊物傷害頭部的防護(hù)用品。隨著現(xiàn)代工作、生活的日益多樣化，人們對(duì)生命安全也愈來(lái)愈重視，頭部防護(hù)用品的使用方面也越來(lái)越廣泛，大致可分為軍事、工作、運(yùn)動(dòng)三類。佩戴頭盔、安全帽等防護(hù)用品可以有效保護(hù)生命，但是由于對(duì)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(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定的安全帽的重量一般都在400g至500g。若要測(cè)量人在佩戴頭盔、安全帽等防護(hù)用品時(shí)，頭部各點(diǎn)所受的壓力，首先要求壓力傳感裝置能夠測(cè)量曲面，且要有一定的柔性。對(duì)近似于平面的接觸面，傳統(tǒng)的壓力傳感器采用平鋪的布局方式可以很好的完成任務(wù)，但是對(duì)于曲率變化較大的曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的布局方式難以獲得精確、可靠的數(shù)據(jù)。CN200710094157. 5提出一種測(cè)量臀部曲面形態(tài)及其法向壓力分布的裝置和測(cè)量方法，其是采用液壓連通器獲取單點(diǎn)或分布不均勻的壓力信息，難以形成規(guī)律的矩陣式的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也不適用于頭頂分布?jí)毫Φ臏y(cè)量；實(shí)用新型專利200920080140. 9提出一種基于測(cè)壓平板的三維曲面測(cè)量裝置，它使用傳統(tǒng)的布局方式，不具備延展性，且難以緊密貼合曲面，不易于獲得頭部壓力的精確、可靠的數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在佩戴頭盔、安全帽等防護(hù)頭具時(shí)，用于精確測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置及其制作方法。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特征在于它包括能夠與頭部曲面形狀貼合的一底面硅膠層，所述底面硅膠層上表面設(shè)置有由若干壓力傳感器和縱橫連接各壓力傳感器的導(dǎo)線組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)，所述矩陣網(wǎng)絡(luò)的外面通過導(dǎo)線連接一用于供電的電源模塊和一用于輸出各所述壓力傳感器信息的采集控制豐吳塊。所述米集控制模塊包括一選通模塊、一運(yùn)放模塊和一 A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述選通模塊包括若干選通開關(guān)，每一所述選通開關(guān)都連接所述矩陣網(wǎng)絡(luò)的一行或一列，所述運(yùn)放模塊包括若干運(yùn)放通道，每一所述運(yùn)放通道都連接所述矩陣網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的電流值，均通過其所在列或行的所述運(yùn)放通道放大后送入所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸出。所述壓力傳感器采用片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器。一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，包括以下步驟1)選定一個(gè)頭模，在頭模上設(shè)置一層硅膠，形成一底面硅膠層；2)待底面硅膠層干固后，用剪刀裁剪出底面硅膠層的下沿；3)在底面硅膠層上做出將頭模分成左、右對(duì)稱兩部分的中軸面，并定義其與底面硅膠層的交線為縱向中軸線；4)垂直于中軸面做奇數(shù)個(gè)等分橫切面，并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(diǎn)；5)平行于中軸面做若干等分縱切面，定義每一縱切面過前、后對(duì)稱兩交點(diǎn)，且與底面硅膠層的交線為縱向頭圍線；6)在每一所述交點(diǎn)，以及每一所述橫向頭圍線與所述縱向頭圍線的交點(diǎn)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(dǎo)線焊接連接，形成一由所述壓力傳感器和所述導(dǎo)線組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)；8)在矩陣網(wǎng)絡(luò)的外部通過導(dǎo)線連接一用于供電的電源模塊和一用于采集各壓力傳感器信息的采集控制模塊；9)在矩陣網(wǎng)絡(luò)和底面硅膠層上涂覆一層硅膠形成一頂面硅膠層，待頂面硅膠層干固后，用剪刀剪出與底面硅膠層相同形狀的下沿即成。所述底面硅膠層和頂面硅膠層采用蘸取工藝和手糊工藝相結(jié)合的方式制作而成。所述橫切面的數(shù)量為13或15或17。所述壓力傳感器采用片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明裝置由于設(shè)置了一底面硅膠層和一頂面硅膠層，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(wěn)定工作。2、本發(fā)明裝置由于在底面硅膠層和頂面硅膠層之間設(shè)置有一由壓力傳感器組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)，且相鄰的壓力傳感器通過盤繞成曲線的導(dǎo)線焊接連接，因此本發(fā)明裝置具有很好的曲面貼合性和延展性，特別適合用于對(duì)曲率變化不規(guī)則的人體頭部所承受的壓力進(jìn)行測(cè)量。3、本發(fā)明裝置在矩陣網(wǎng)絡(luò)的外部設(shè)置有一包括選通模塊、運(yùn)放模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的采集控制模塊，選通模塊用于控制矩陣網(wǎng)絡(luò)的行或列的選通，當(dāng)某一行或列被選通之后，通過運(yùn)放模塊的各運(yùn)放通道輸出的該列或行中的壓力傳感器感應(yīng)的電流值，并輸出給A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，完成該行或列中各個(gè)壓力傳感器的壓力輸出，因此可以對(duì)被選通的行或列中的所有壓力傳感器同時(shí)進(jìn)行電流測(cè)量，速度快且互不干擾。4、本發(fā)明裝置由于在頭部曲面上布置的壓力傳感器，為片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器，輸入恒定的電壓時(shí)將輸出與施加壓力成線性相關(guān)的電流值，因此，本發(fā)明具有精度高、反應(yīng)速度快、測(cè)量方便的特點(diǎn)。5、本發(fā)明裝置確定壓力傳感器布置位置的方法，實(shí)際上是采用平面矩陣在曲面上的投影來(lái)確定，該方法不但簡(jiǎn)單，而且可以有效地保證壓力傳感器布置均勻、有規(guī)律。6、本發(fā)明制作時(shí)橫切面的個(gè)數(shù)為13或15或17，且縱切面的個(gè)數(shù)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(xiàn)有傳感器尺寸下密集布置的要求。7、本發(fā)明裝置的底面硅膠層和頂面硅膠層在實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用硅膠模和真空注型機(jī)來(lái)制作，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模成批制作。本發(fā)明適用性廣，既為頭部曲面壓力的測(cè)量提供有效、可靠的方式，又可以用于其它曲面壓力的測(cè)量。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明采集控制模塊的結(jié)構(gòu)示意3是圖1的壓力傳感器和導(dǎo)線的局部放大4是本發(fā)明佩戴效果的俯視5是本發(fā)明橫向頭圍線確定方法示意6是本發(fā)明矩陣網(wǎng)絡(luò)確定方法示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明裝置包括一與頭部曲面形狀緊密貼合的底面硅膠層1，在底面硅膠層I上表面設(shè)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(dǎo)線3組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)4，在矩陣網(wǎng)絡(luò)4的外面通過導(dǎo)線連接一電源模塊5和一采集控制模塊6，在矩陣網(wǎng)絡(luò)4和底面硅膠層I上設(shè)置有一頂面硅膠層7，頂面硅膠層7將底面硅膠層1、壓力傳感器2和導(dǎo)線3粘接成一個(gè)整體，形成一柔性傳感裝置。電源模塊5為壓力傳感器2和采集控制模塊6供電。如圖2所示，采集控制模塊6包括一選通模塊61、一運(yùn)放模塊62和一 A/D轉(zhuǎn)換模塊63。選通模塊61包括若干選通開關(guān)64，每一選通開關(guān)64都與矩陣網(wǎng)絡(luò)4的一行相連(以行選通為例)；運(yùn)放模塊62包括若干運(yùn)放通道65,每一運(yùn)放通道65都與矩陣網(wǎng)絡(luò)4的一列相連。如圖3、圖4所示，矩陣網(wǎng)絡(luò)4中連接各相鄰壓力傳感器2之間的導(dǎo)線3均采用彎曲或盤繞的曲線方式進(jìn)行連接，這樣在佩戴測(cè)量的時(shí)候，可以使整個(gè)矩陣網(wǎng)絡(luò)4具有很好的延展性能，再加之底面硅膠層I和頂面硅膠層7自身的可抻拉性能，使本發(fā)明裝置具有非常好的柔性。上述實(shí)施例中，選通模塊261和運(yùn)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(guān)64都與矩陣網(wǎng)絡(luò)4的一列相連，而將每一運(yùn)放通道65都與矩陣網(wǎng)絡(luò)4的一行相連。上述實(shí)施例中，壓力傳感器2可以采用片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器，比如壓力傳感器2采用Tekscan公司的微型壓力傳感器，其具有體積小，安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。當(dāng)輸入恒定的電壓時(shí)，壓力傳感器將輸出與施加壓力成線性相關(guān)的電流值。本發(fā)明裝置當(dāng)有頭盔、安全帽等防護(hù)頭具佩戴在頭模上進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)，選通開關(guān)64控制矩陣網(wǎng)絡(luò)4中各行的選通(以行選通為例，但不限于此)，當(dāng)某一行的壓力傳感器2被選通之后，每一列的運(yùn)放通道65便會(huì)采集并放大該列被選中的一個(gè)壓力傳感器2感應(yīng)的電流值，并經(jīng)給A/D轉(zhuǎn)換模塊63轉(zhuǎn)換后輸出，從而完成該行中各個(gè)壓力傳感器2的電流輸出。選通模塊61依次選通矩陣網(wǎng)絡(luò)4的每一行，則可以完成整個(gè)矩陣網(wǎng)絡(luò)4中各壓力傳感器2的電流輸出。本發(fā)明裝置的制作方法包括以下步驟I)如圖5所不,選定一個(gè)頭模,在頭模上設(shè)置一層娃膠,形成一底面娃膠層I ;2)待底面硅膠層I干固后，用剪刀裁剪出底面硅膠層I的下沿11 ；3)在底面硅膠層I上做出將頭模分成左、右對(duì)稱兩部分的中軸面，并定義其與底面硅膠層I的交線為縱向中軸線12 ；4)垂直于中軸面做奇數(shù)個(gè)等分橫切面，并定義每一橫切面與底面硅膠層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(diǎn)14 ；5)如圖6所示，平行于中軸面做若干等分縱切面，定義每一縱切面過前、后對(duì)稱兩交點(diǎn)14，且與底面硅膠層I的交線為縱向頭圍線15 ；6)如圖1、圖6所示，在每一交點(diǎn)14，以及每一橫向頭圍線13與縱向頭圍線15的交點(diǎn)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(dǎo)線3焊接連接，形成一由壓力傳感器2和導(dǎo)線3組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)4 ；8)在矩陣網(wǎng)絡(luò)4的外部通過導(dǎo)線連接一用于供電的電源模塊5和一用于采集各壓力傳感器2信息的采集控制模塊6 ；9)在矩陣網(wǎng)絡(luò)4和底面硅膠層I上設(shè)置一層硅膠形成一頂面硅膠層7，待頂面硅膠層7干固后，用剪刀剪出與底面硅膠層I相同形狀的下沿11即成。上述實(shí)施例中，底面硅膠層I和頂面硅膠層7可以采用蘸取工藝和手糊工藝相結(jié)合的方法進(jìn)行制作，在實(shí)際大批量生產(chǎn)中，也可以采用硅膠模具和真空注型機(jī)的方式進(jìn)行制作；上述實(shí)施例中，橫切面的個(gè)數(shù)可以是13或15或17。上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特征在于它包括能夠與頭部曲面形狀貼合的一底面硅膠層，所述底面硅膠層上表面設(shè)置有由若干壓力傳感器和縱橫連接各壓力傳感器的導(dǎo)線組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)，所述矩陣網(wǎng)絡(luò)的外面通過導(dǎo)線連接一用于供電的電源模塊和一用于輸出各所述壓力傳感器信息的采集控制模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特征在于所述采集控制模塊包括一選通模塊、一運(yùn)放模塊和一 Α/D轉(zhuǎn)換模塊；所述選通模塊包括若干選通開關(guān)， 每一所述選通開關(guān)都連接所述矩陣網(wǎng)絡(luò)的一行或一列，所述運(yùn)放模塊包括若干運(yùn)放通道， 每一所述運(yùn)放通道都連接所述矩陣網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的電流值，均通過其所在列或行的所述運(yùn)放通道放大后送入所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸出。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置，其特征在于所述壓力傳感器采用片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器。
4.如權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，包括以下步驟O選定一個(gè)頭模，在頭模上設(shè)置一層娃膠，形成一底面娃膠層；2)待底面硅膠層干固后，用剪刀裁剪出底面硅膠層的下沿；3)在底面硅膠層上做出將頭模分成左、右對(duì)稱兩部分的中軸面，并定義其與底面硅膠層的交線為縱向中軸線；4)垂直于中軸面做奇數(shù)個(gè)等分橫切面，并定義每一橫切面與底面硅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硅膠層的下沿有一交點(diǎn)；5)平行于中軸面做若干等分縱切面，定義每一縱切面過前、后對(duì)稱兩交點(diǎn)，且與底面硅膠層的交線為縱向頭圍線；6)在每一所述交點(diǎn)，以及每一所述橫向頭圍線與所述縱向頭圍線的交點(diǎn)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(dǎo)線焊接連接，形成一由所述壓力傳感器和所述導(dǎo)線組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)；8)在矩陣網(wǎng)絡(luò)的外部通過導(dǎo)線連接一用于供電的電源模塊和一用于采集各壓力傳感器信息的采集控制模塊；9)在矩陣網(wǎng)絡(luò)和底面硅膠層上涂覆一層硅膠形成一頂面硅膠層，待頂面硅膠層干固后，用剪刀剪出與底面硅膠層相同形狀的下沿即成。
5.如權(quán)利要求4所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，其特征在于 所述底面硅膠層和頂面硅膠層采用蘸取工藝和手糊工藝相結(jié)合的方式制作而成。
6.如權(quán)利要求4所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，其特征在于 所述底面硅膠層和頂面硅膠層采用在真空注型機(jī)上設(shè)置硅膠模具的方式制作而成。
7.如權(quán)利要求4或5或6所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，其特征在于所述橫切面的數(shù)量為13或15或17。
8.如權(quán)利要求4或5或6所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，其特征在于所述壓力傳感器采用片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置的制作方法，其特征在于所述壓力傳感器 采用片層式結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量頭部壓力的柔性傳感裝置及其制作方法，所述裝置包括能夠與頭部曲面形狀貼合的一底面硅膠層，所述底面硅膠層上表面設(shè)置有由若干壓力傳感器和縱橫連接各壓力傳感器的導(dǎo)線組成的矩陣網(wǎng)絡(luò)，所述矩陣網(wǎng)絡(luò)的外面通過導(dǎo)線連接一用于供電的電源模塊和一用于輸出各壓力傳感器信息的采集控制模塊。本發(fā)明具有較好的柔性，可以緊密地貼合頭部曲面，特別適用于在佩戴頭盔、安全帽等防護(hù)用品時(shí)，測(cè)量頭部各點(diǎn)所受的壓力。
文檔編號(hào)G01L1/22GK103048068SQ20131001455
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者陳曉, 蔣毅, 祖媛媛, 鈕建偉, 周宏 , 王英澤, 王啟志 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所