檢測技術在體育領域中的應用

王晉偉

（安徽工程大學　體育學院，安徽　蕪湖　241000）

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檢測技術在體育領域中的應用

王晉偉

（安徽工程大學體育學院，安徽蕪湖241000）

摘要：檢測技術高速發(fā)展，已經滲透到體育領域.文章給出了檢測技術在體育領域中的一些具體應用，分析了這些應用中的工作原理及特點，指出了檢測技術在體育工程實踐中的應用將會日趨廣泛，日益深入.

關鍵詞：檢測技術；傳感器；體育領域

隨著經濟的發(fā)展﹑社會的進步和人民生活水平的提高，以發(fā)展體力，增強體質為目的的體育事業(yè)也得到了飛速發(fā)展，大型的國際體育賽事成為國家間交流﹑競爭﹑合作的重要平臺，成為展現國家形象和綜合實力的重要窗口.體育蘊含的巨大的社會功能和綜合效應受到世界各國的高度重視，因此，各國都在大力發(fā)展本國的體育事業(yè).

與此同時，科技發(fā)展突飛猛進，科技對體育產生了極大的影響,如檢測技術，能夠幫助運動員和教練員獲得更為全面﹑準確的運動數據信息.特別是在信息全球化的今天，以信息﹑計算機﹑通訊技術為基礎的體育科技，為體育增添了無窮的魅力，使人們不僅享受了體育運動，更享受了信息時代科技體育的生動﹑趣味與精彩.從某種程度上說，體育賽場上的競爭不單單是運動員之間的較量，對于各國的體育領域科研工作者而言，更是一場科技的較量.

在各種體育信息檢測系統(tǒng)中，為了準確獲得比賽的時間﹑投擲距離﹑運動員訓練強度等信息，檢測技術起著舉足輕重的作用.檢測技術正源源不斷地應用于比賽裁判系統(tǒng)﹑運動訓練儀器器材﹑大眾健身器材等領域，根據“科技興體”這一發(fā)展戰(zhàn)略的實施，檢測技術在體育工程實踐中的應用將會日趨廣泛，在體育領域中的應用也將日益深入.

1　比賽裁判系統(tǒng)中的檢測技術

1.1田賽測距技術

眾所周知，距離是現代田賽成績的主要依據.跳躍和投擲距離的精確測定是這類項目最關鍵的裁判工作之一.

田賽成績測量，在裁判工作中一直比較困難.傳統(tǒng)的測量方法是用皮尺﹑鋼尺等現場手工丈量.直到1972年聯邦德國慕尼黑第二十屆奧運會成績檢測首次使用了先進的電子計時器和激光測距儀才宣告了跑表﹑皮尺時代的結束.這些設備準確快速和自動化，加快了田賽成績測量技術的發(fā)展.

能夠測量距離的檢測技術有紅外線測距﹑超聲波測距﹑激光測距.它們的工作基本原理相同，都是通過發(fā)射裝置，在空氣中向某一方向發(fā)射傳播速度一定的光（聲波），遇到物體反射，根據發(fā)射與接收到光（聲波）的時間可以計算出距離.

超聲測距比較迅速﹑方便﹑計算簡單﹑易于做到實時控制.穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，然而超聲波在空氣中傳播時，其速度受溫度﹑濕度﹑粉塵﹑大氣壓﹑氣流等因素影響，其中溫度影響最大，因此，超聲波測距精度較低，一般為量程的0.5％，約在4cm左右.目前，超聲波只能滿足非專業(yè)測試的應用，在競技體育比賽中已很少使用.

紅外線測距因為紅外線在穿越其它物質時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線，優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低，方向性差.

激光是一種顏色很純﹑能量高度集中﹑方向性很好的光.激光二極管對準目標發(fā)射激光束，在被測物體表面上形成一個亮的光斑，成像物鏡將該光斑成像到光敏接收器的光敏面上，產生探測其敏感面上光斑位置的電信號.激光測距的優(yōu)點是精確，精度可以達到5mm以內，博世的激光測距儀精度為1.5個毫米左右.缺點是需要注意人體安全，且制作難度較大，成本較高.

由于光傳播的原理相對于聲音的傳播原理，光的傳播更穩(wěn)定.因此，紅外線測距﹑激光測距比超聲波測距速度快，更準確，精度要高，穩(wěn)定性強.

在大型體育比賽中，激光測距儀替代了曾經使用的皮尺和鋼尺，同時，還有8至10臺攝像機在拍攝比賽情況，這既是為了電視轉播的需要也有助于公正﹑準確的判罰.如果運動員對比賽結果有爭議，就可以將攝像資料作為證據，因此，也有人稱激光測距儀是“投擲運動員的魔鏡”.

目前，還有全站型電子速測儀，簡稱全站儀（Electronic Total Station），是一種集光﹑機﹑電為一體的高技術測量儀器，采用了光電式傳感器，用電磁波測距儀代替光學視距經緯儀，使得測程更大﹑測量時間更短﹑精度更高.

與光學經緯儀區(qū)別在于度盤讀數及顯示系統(tǒng)，其水平度盤和豎直度盤及其讀數裝置是分別采用兩個相同的光柵度盤（或編碼盤）和讀數傳感器進行角度測量.同時其測距部分的外光路系統(tǒng)又能使測距部分的發(fā)光二極管發(fā)射的調制紅外光在經物鏡射向反光棱鏡后，經同一路徑反射回來，再經分光棱鏡作用使反射光被光電二極管接收；為測距需要在儀器內部另設一內光路系統(tǒng)，通過分光棱鏡系統(tǒng)中的光導纖維將由光敏二極管發(fā)射的調制紅外光傳也送給光電二極管接收，進行而由內﹑外光路調制光的相位差間接計算光的傳播時間，計算實測距離.

全站儀親歷了大型體育賽事上鉛球﹑鐵餅﹑標槍﹑鏈球等田賽項目，為這些項目的參賽選手測量比賽成績，以其高精度﹑高穩(wěn)定的良好性能，見證了比賽獎牌的誕生.

1.2徑賽計時檢測技術

徑賽是通過時間來決定運動員名次的，從最初的使用秒表來計時，到后來使用全自動終點攝像機來計時.

全自動終點攝像機的圖像采集核心是圖象傳感器，它是由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成.最常用的光敏元件是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)和CMOS.

CCD傳感器使用一種高感光度的硅半導體材料制成的MOS電容為基本單元，當其表面受到光線照射時，每個感光單元會將光信息變成電荷存儲在MOS電容上；所有的感光單元所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面.CCD的突出特點就是以電荷作為信號，通過按一定的時序在電極上施加高低電平，可以實現光電荷在相鄰勢阱間的轉移，并在光電荷轉移通道的末端，將電荷信號轉換為電壓或電流信號輸出.CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，被廣泛應用在微光電視攝像等方面，實現圖像的獲取﹑存儲﹑傳輸﹑處理和復現.

CMOS圖像傳感器由許多光敏單元組成.根據光敏像元結構的不同，可分為光柵型和光電二極管型.根據敏感單元內是否具有放大功能，可分為無源像素圖像傳感器（PPS）和有源像素圖像傳感器(APS).其中，光柵型有源像素傳感器結合了CCD和X-Y尋址的優(yōu)點，每個像元采用了五個晶體管，采用0.25um工藝將允許達到5um的像元間距，可接近高檔CCD水平，適用于高性能科學成像和低光照成像.

與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有明顯的優(yōu)勢.

（1）CMOS信號讀取簡單，能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD快得多.CCD存儲的電荷轉移和讀取電路較為復雜，速度較慢；

（2）CMOS器件的集成度高﹑體積小﹑重量輕，具有高度系統(tǒng)整合的條件；CCD器件的成像點為X-Y縱橫矩陣排列且僅能輸出模擬電信號；從功耗和兼容性來看，CCD功耗大；而CMOS-APS具有功耗低﹑兼容性好的特點.

（3）CMOS傳感器成品率高，制造成本低；CCD傳感器成本高.CMOS-APS比CCD圖像質量高.

（4）高速性是CMOS電路的固有特性.CMOS圖像傳感器具有更強的靈活性.

高速CCD攝像，拍攝速度1000幀/秒，但目前采用最新的CMOS傳感器的某高速數字攝影系統(tǒng)，攝速為2000幀/秒，分辨率達到1280X1024像素（1000pps），系統(tǒng)的攝速升級選項可使最高攝速達10000幀/秒，能攝錄明亮逼真的彩色圖象及清晰明快的單色圖象.

目前，國際比賽中采用的電腦計時系統(tǒng)已經可以將成績由百分之一秒精確到千分之一秒.

1.3拳擊比賽中的檢測技術

拳擊比賽中，為了判斷運動員摔倒時是否兩肩同時著地，裁判員需要趴在地上緊張的觀察運動員的一舉一動.如今，壓力傳感器能夠大顯神威，可以安裝在雙方運動員的身上，收集比賽過程中運動員兩肩著地的壓力信號，類似跆拳道﹑擊劍等比賽采用電子記分設備——電子護具，是在傳統(tǒng)護具的基礎上加入力傳感器，當擊中護具有效部位且力度達到事前設定的得分標準時，力傳感器輸出電信號到處理電路，將數據傳送到裁判席的接收端，此裁判系統(tǒng)比肉眼觀察更加準確﹑高效﹑果斷，能夠降低裁判員執(zhí)法工作的強度，運動員對于評判結果的質疑也能夠給出強有力的科學依據.

1.4比賽設備中的檢測技術

撐桿跳的高度都是4米以上，過去撐桿跳的支架都靠人工操作，速度慢而且容易出現誤差，新型的電子跳高架由一臺控制儀控制，自動升降到所要求的高度，而這個高度正是采用了激光測距傳感器來測量距離，使得測距非常精確，還可在跳高中使用，誤差只有0.2毫米，大大提高了比賽效率.

1.5比賽環(huán)境監(jiān)測中的檢測技術

大風對田徑比賽影響很大，田徑比賽場地上風速超過限制，所創(chuàng)造出的成績將不被承認.帆船比賽，劃艇比賽等室外比賽都需要用到風速儀來測量風速.

風速儀按照工作原理，有多種多樣形式.

（1）螺旋槳式風速計.是一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉的風速計.螺旋槳裝在一個風標的前部，使其旋轉平面始終正對風的來風速計向，轉速正比于風速.

（2）熱線風速計.一根被電流加熱的金屬絲（稱熱線），流動的空氣使它散熱，而散熱量導致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉變成電信號，從熱線輸出的電信號，經放大﹑補償和數字化后輸入計算機，即可制成熱線風速計.它有兩種工作模式：①恒流式.通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速；于恒溫式.熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據所需施加的電流可度量流速.恒溫式比恒流式應用更廣泛.若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜風速儀，功能與熱絲相似，熱線風速計在小風速時靈敏度較高，適用于對小風速測量.能測量很低速（如低達0.3米/ 秒)等優(yōu)點.它的時間常數只有百分之幾秒.

（3）超聲波風速儀.利用超聲波時差法來實現風速的測量是機械測風儀器的革命.超聲波在空氣中的傳播速度會和風向上的氣流速度疊加.若與風向相同，它的速度會加快，反之，速度會變慢.因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數對應.通過計算即可得到精確的風速和風向.

由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大，但風速儀是檢測發(fā)射﹑接受兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產生的影響可以忽略不計.

超聲波測速儀與以往的測量儀器不同，它能在風力急速變化情況下，準確地測量出風速平均值.

由于在裁判過程中使用了先進的傳感器作為信號采集裝置，極大地提高了測量結果的精確性，最大限度地消除了人工測量方式的種種弊端，確保了比賽過程和結果的公正性和權威性.

2　運動訓練器械中的檢測技術

現代競技運動是力與美的化身，所追求的目標是更高﹑更快﹑更遠.因此，運動員在平時需要使用各種器械訓練，達到提高成績的目的.

2.1重量訓練器材上的檢測技術

傳統(tǒng)的重量器材往往只能測試一兩個訓練指標，教練員也只能以鉛塊的重量和動作頻率來粗略了解訓練強度的大小，落地時杠鈴的重量以及地面的沖擊力，對運動員的安全及心理無疑有負面影響.

隨著科技的滲透，有研究者已開發(fā)在現有的重量訓練器材上加裝位移﹑速度﹑重量等傳感器，研制重量訓練數據實時采集與診斷分析系統(tǒng)，以監(jiān)測訓練過程中力量﹑速度﹑功率等參數的變化，并將結果實時反饋給使用者，從而實現重量訓練過程的智能化和可視化及訓練的安全性.

2.2跆拳道模擬綜合訓練儀上的檢測技術

在跆拳道訓練中，運動員主要通過步履的移動，快速擊打對方，達到制勝目的.因此，在已有的跆拳道模擬綜合訓練儀中，力傳感器成為主要檢測手段之一.

2.2.1力傳感器force transducer

為了測試是否擊打到對方有效部位和擊打到對方時力量的大小，在目標人體模型擊打部位上，安裝有各種力傳感器，其中有電阻應變式﹑壓阻式﹑壓電式等傳感器.電阻式壓力傳感器以電阻應變片為敏感元件，根據壓力下應變片電阻變化測力，可以測靜態(tài)力，也可以測動態(tài)力.壓電式力傳感器是根據壓電晶體在動態(tài)力作用下產生電荷的原理，只適用于動態(tài)力測量，頻率范圍較大.而壓阻式傳感器以其靈敏度好﹑精度高的特點，應用越來越廣泛.

2.2.2柔性壓力陣列傳感器

由壓力傳感器點陣構成的測試平臺是為了訓練和評價跆拳道各種基本步法和不同方位敏捷度一種裝置.目前使用較好的分布式力傳感器有柔性壓力陣列傳感器.

柔性陣列式壓力傳感器屬于電阻式傳感器，其工作原理與普通電阻式傳感器基本相同，傳感器采用絲網印刷工藝技術將敏感材料按矩陣狀印刷到兩個絕緣基材(聚酯薄膜)上，將感點對應位置做成通孔，從而構成柔性力陣列和壓力陣列.在不受力時，上下兩層的敏感點不接觸，電阻呈無窮大.當有力加在傳感器陣列，上下兩層敏感點導通，形成接觸電阻，隨著力的增大，接觸電阻減小，在一定范圍內，其變化是成反比的.

以力傳感器為核心的采集系統(tǒng)，將采集到的壓力信號再通過處理電路，送入計算機進行分析，以達到指導訓練的目的.

國內某研究所研制的柔性壓力傳感器陣列基本單元最大尺寸可達到1m×1.2m，點陣密度為4個壓力敏感點/cm2，壓力綜合測量誤差≤5％F.S.，測量范圍是10～5000kPa.根據客戶不同需要可定制各種形狀﹑各類量程﹑不同厚度﹑不同尺寸的柔性壓力傳感器產品，可以檢測回轉曲面作用力，還做成數字鞋墊﹑數字跑道等運動產品.

在所有的擊打類型的競技項目中，如武術﹑拳擊﹑擊劍等訓練中，都可應用相似的訓練儀器.

3　其他體育方面中的檢測技術

3.1運動生理檢測技術

在高強度訓練項目中，檢測運動員骨骼疲勞度，對于提高運動員的身體素質和保護運動員的運動安全都有重要的意義.采用超聲Lamb波在骨中傳播的無損檢測方法，以骨骼的楊氏模量為測量對象，當骨疲勞發(fā)生時，楊氏模量下降，改變色散曲線，利用相速度來逆向求楊氏模量，從而知道骨骼疲勞度，以達到精確無損檢測的目的.

利用多維力傳感器﹑高精度放大電路﹑測試平臺和計算機組成的人體平衡測試系統(tǒng)，能夠測量人體重心投影于地面的軌跡及其變化，運動員在進行大運動量時，實時監(jiān)測人體的重心坐標，科學地分析人體的腦平衡能力，有效地預防疾病的發(fā)生.

3.2健身器材上的檢測技術

在推動全民健身運動過程的同時，各種健身器材也在大力開發(fā)研制.小型的器材如電子握力器，則采用應變式傳感器和數字電路，以顯示所測試的前臂及手部肌肉的力量；大型的健身器材如智能跑步機，所用的傳感器種類則更多：有速度﹑里程﹑重量﹑轉速﹑心率傳感器，使測試結果在電動跑步機上顯示，這樣，運動者在健身時，能夠對自己的運動量﹑身體狀況了如指掌.這些附加了科技含量的健身器材，比傳統(tǒng)的器材更有趣味性和科學性，受到體育愛好者的喜愛.

3.3體育場館中的檢測技術

利用光生伏特效應Photovoltaic effect的光電傳感技術，國家體育館的訓練館屋頂﹑比賽館屋頂和南面玻璃幕墻中均安裝了太陽能電池板.它實質上是一個大面積的PN結，當陽光照射到PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢，從而，將光能轉變成電能，經專用設備并網補充到低壓配電系統(tǒng)，用于室內照明.太陽能是未來最清潔﹑安全和可靠的能源，把太陽能轉化為電能，傳感器技術功不可沒.

水立方中，游泳池水溫溫度傳感器的應用﹑池壁壓力參數的檢測﹑水位高度的控制﹑沐浴龍頭等設備感應式沖洗閥，水表水量計量……

這些事例，無一不用到傳感器技術.

4　檢測技術在體育領域研究開發(fā)趨勢

由于檢測技術在信息測控系統(tǒng)中的重要作用，世界各國對其理論研究﹑新材料應用﹑產品開發(fā)都非常重視.體育比賽采用新的科學技術來保證公正公平，像一場球賽，如果有電子裁判的參與來判斷球有沒有過線，那就會大大減少判決的爭議.在檢測技術中，傳感器屬于前端部件，其性能好壞直接影響測試系統(tǒng)的精確性﹑可靠性﹑穩(wěn)定性等指標.

光導纖維型傳感器由于其抗干擾性強﹑靈敏度高﹑重量輕﹑體積小﹑適于遙測等特點正受到人們的普遍重視.目前已有不少成熟的產品問世，如光纖轉矩傳感器以及溫度﹑振動﹑壓力等傳感器.

在開發(fā)利用新材料同時，由于微電子技術和微機械加工技術的發(fā)展，傳感器正朝著微型化﹑多功能化﹑智能化方向發(fā)展.微型化傳感器利用微機械加工技術將微米級的敏感元件﹑信號調理器﹑數據處理裝置集成封裝在一塊芯片上.由于其體積小﹑價格便宜﹑便于集成等特點，可以提高系統(tǒng)測試精度，例如把微型壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起，同時測出壓力和溫度，便可通過芯片內運算消去壓力測量中的溫度影響.目前已有不少微型傳感器面世，如壓力傳感器﹑加速度計等.多功能化的特性使得傳感器能夠同時檢測2個或2個以上的特性參數.

由于體育比賽被測對象多處于運動中，因此，GPS和無線傳感網絡有很大的發(fā)展空間.此外，檢測技術在響應時間﹑電磁波干擾﹑輸出與計算機的接口等問題也是重要的研究課題.隨著電子技術的發(fā)展，檢測技術必將在體育領域應用將越來越廣.

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基金項目：國家社科基金一般項目（15BTY013）

收稿日期：2015-10-23

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）03-0149-04