基于柔性壓力傳感器的壓力襪壓力檢測

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(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院、絲綢學(xué)院，杭州 310018)

基于柔性壓力傳感器的壓力襪壓力檢測

龐欣，方園，李新陽

(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院、絲綢學(xué)院，杭州 310018)

針對國內(nèi)壓力襪等成形紡織產(chǎn)品壓力測試問題，設(shè)計和搭建了一個壓力襪壓力測試平臺。采用Flexiforce柔性傳感器對壓力襪不同部段進(jìn)行了壓力測試，通過CRIO嵌入式硬件實時采集數(shù)據(jù)，并基于LabVIEW實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的分析處理和可視化。壓力襪測試實驗結(jié)果表明：腳踝處壓力值為2.553 kPa，小腿處壓力值為1.995 kPa，大腿處壓力值為1.083 kPa；壓力襪壓力梯度變化與要求相符。該實驗檢測方法簡單易行，實用性強，有助于解決國內(nèi)紡織企業(yè)壓力襪生產(chǎn)中的技術(shù)難題。

Flexiforce；LabVIEW；壓力襪；壓力測試

0 引 言

隨著電子、現(xiàn)代紡織和生物技術(shù)的飛速發(fā)展與日益交融，智能紡織品的設(shè)計、開發(fā)及其應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前紡織技術(shù)研究的熱點之一。智能紡織品具有對外界環(huán)境變化感知及對變化迅速做出響應(yīng)的功能[1]，能保持紡織品原有柔軟、易變形、舒適等特性[2]，因而帶給消費者一種全新的穿著體驗。國外發(fā)達(dá)國家正在致力于這一新技術(shù)領(lǐng)域的研究，市場前景廣闊。

壓力襪是智能紡織品之一，服用時可以消除由下肢靜脈血液回流障礙引起的酸痛、疲勞，又可以起到美體塑形作用，深受消費者的喜愛。根據(jù)人體靜脈曲張的治療要求，壓力襪必須自下而上具備一定的壓力差，壓力呈現(xiàn)由腳踝至大腿處逐漸遞減的梯度變化趨勢，保健用壓力襪的壓力在1.066～2.666 kPa(8～20 mmHg)[3]。為了滿足壓力襪不同部段壓力梯度變化，在專業(yè)級壓力襪中一般采用變密度編織工藝，采用專門的壓力醫(yī)療保健襪編織機或電腦一體襪機來進(jìn)行壓力襪編織。由意大利羅納地(LONATI)公司最新研制的的一體成形電腦襪機，具有變密度自動編織功能，適用于醫(yī)療、保健、體育等領(lǐng)域特殊紡織品的編織。一體成形電腦襪機通過在線實時檢測功能，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求，隨時調(diào)節(jié)各部段織物的編織密度來改變壓力襪不同部段的壓力分布。但是，目前國內(nèi)常規(guī)的紡織檢測方法還無法準(zhǔn)確地測試柔性成形類紡織品的壓力變化和壓力分布狀況，已成為壓力襪等成形類紡織產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)中一大難題，困擾著紡織生產(chǎn)企業(yè)。近年來，瑞士Salzmann公司推出一種MKV醫(yī)療壓力襪壓力測試儀，但高昂的價格使國內(nèi)紡織企業(yè)根本無法接受，柔性成形類紡織產(chǎn)品的壓力測試技術(shù)一直被國外公司所技術(shù)壟斷[4]。

本文根據(jù)人體工學(xué)原理和壓力襪紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(FZ/T 73031—2009)要求，制備壓力襪[5]；根據(jù)柔性紡織產(chǎn)品的測試要求，以Flexiforce柔性壓力傳感器作為數(shù)據(jù)采集器件，采用專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片搭建壓力測試平臺，進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的采集；通過LabVIEW圖形處理軟件實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)分析處理和可視化，可直觀地呈現(xiàn)壓力襪不同部段壓力變化狀況。該實驗測試平臺結(jié)構(gòu)簡單、測試效果好、實用性強，可解決國內(nèi)紡織企業(yè)壓力襪生產(chǎn)的技術(shù)難題。

1 壓力測試裝置

1.1 壓力測試系統(tǒng)的組成

基于LabVIEW壓力襪壓力測試平臺采用Flexiforce柔性傳感器作為數(shù)據(jù)采集器件，測試裝置由硬件和軟件兩部分組成，硬件系統(tǒng)采用National Instruments公司生產(chǎn)的CRIO嵌入式硬件，軟件系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化處理軟件構(gòu)成一個完整的測試平臺。

在測試系統(tǒng)中，F(xiàn)lexiforce是一種柔性傳感器，當(dāng)對Flexiforce感應(yīng)區(qū)域施加壓力時導(dǎo)致Flexiforce柔性傳感器輸出端產(chǎn)生電壓變化，利用反相比例放大電路進(jìn)行信號放大[6]，通過CRIO嵌入式硬件系統(tǒng)完成電壓信號的采集、處理和保存，最終將檢測到的壓力變化值轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出。

Flexiforce是美國Tekscan公司研制的一種超薄柔性電阻式壓力傳感器，傳感器薄如紙張且柔韌性強[7-8]，在線性、滯后性、漂移和靈敏度方面具有優(yōu)良特性，使用簡便。傳感器的有效傳感區(qū)域為直徑9.53 mm的圓，由兩層襯底組成，襯底采用聚酯纖維薄膜制作。本文壓力襪壓力測試裝置所用型號為Sensor A201，其量程范圍為0～11 b(0～4.5 N)。

采樣電路部分設(shè)計如圖1所示，采用Flexiforce柔性傳感器、運算放大器等組建采樣電路，檢測壓力變化值，建立壓力與電壓的對應(yīng)關(guān)系。

Vout=V0*(RF/RS)

(1)

式中：RF為反饋電阻，阻值為20 KΩ；RS為傳感器的對應(yīng)阻值，其阻值的變化取決于施加在柔性傳感器上壓力的變化。RF/RS為放大電路中的放大系數(shù)，V0為輸入電壓，Vout為輸出電壓。通過采集Vout來計算傳感器所受壓力大小。圖2為柔性傳感器實物圖。

圖1 采樣電路部分電路

圖2 柔性傳感器實物圖

數(shù)據(jù)采集模塊采用CRIO嵌入式硬件和LabVIEW軟件平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理[9]。該部分硬件部分主要由上位機、CRIO嵌入式硬件這兩部分組成，采集模塊框架如圖3所示。

圖3 采集模塊框架圖

該檢測系統(tǒng)主要由NI CRIO-9022、CRIO-9116、NI 9215和NI 9401組成。NI CRIO-9022為嵌入式控制器，內(nèi)置FPGA芯片[10]，并結(jié)合工業(yè)級I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)通信。NI 9215為模擬電壓輸入模塊，具有4個模擬輸入通道、16位的高分辨率，可以采用可編程控制。其中I/O模塊對電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到FPGA模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，并將整合完成的數(shù)組送入實時處理器中。在實時處理器中，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、運算等處理，最后將測量獲取的數(shù)據(jù)送入PC機中進(jìn)行保存。圖4為壓力襪測量系統(tǒng)設(shè)計示意圖。

圖4 壓力襪測量系統(tǒng)設(shè)計示意圖

軟件部分則基于LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，對FPGA芯片、實時處理器和PC機這三個部分編寫控制程序。通過程序控制CRIO嵌入式硬件初始化和硬件的運行[11]。圖5是為壓力襪壓力測試平臺所開發(fā)的系統(tǒng)測試界面。

圖5 PC機測試界面

1.2 壓力測試系統(tǒng)的標(biāo)定

壓力測試系統(tǒng)搭建完成后，需進(jìn)行相關(guān)技術(shù)參數(shù)(采樣通道選擇、采樣時間、采樣頻率)的設(shè)置，并對測試系統(tǒng)作測試數(shù)據(jù)的量值標(biāo)定[12]。量值標(biāo)定過程中，通過對作用在Flexiforce柔性傳感器單位面積上的一個重力(施加不同質(zhì)量的砝碼)與傳感器輸出電壓值之間的變化關(guān)系進(jìn)行量值標(biāo)定，為壓力測試數(shù)據(jù)采集奠定基礎(chǔ)。為了提高量值標(biāo)定的精度和有效性，選擇不同質(zhì)量的砝碼(5、10、15、30、60、120 g)進(jìn)行實驗，對單位面積上重力與輸出電壓值之間變化關(guān)系作量值標(biāo)定。每次實驗采集300個數(shù)據(jù)，各取實驗數(shù)據(jù)平均值，柔性壓力傳感器測量參數(shù)標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 壓力傳感器測量參數(shù)的標(biāo)定

根據(jù)表1中壓力傳感器測得的參數(shù)，對作用在傳感器單位面積的重力與輸出電壓值之間的變化關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，重力與輸出電壓值之間的變化關(guān)系為：Yout=0.05833+0.00481X，變量的相關(guān)系數(shù)為0.98535。

柔性傳感器壓力感應(yīng)區(qū)域0.71 cm2，因此，可以將作用在傳感器上重力與輸出電壓值之間的變化關(guān)系轉(zhuǎn)換為壓強與電壓的變化關(guān)系。單位面積上重力與輸出電壓值的標(biāo)定結(jié)果如圖6所示，從圖上可以看出，單位面積上重力與輸出電壓之間呈現(xiàn)近似線性的變化關(guān)系，所構(gòu)建壓力測試系統(tǒng)符合壓力測試要求，符合預(yù)期設(shè)計效果。

圖6 測試數(shù)據(jù)的標(biāo)定

2 實驗過程

2.1 壓力襪的制備

按照壓力襪紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(FZ/T 73031—2009)要求，進(jìn)行壓力襪的原料選擇、組織結(jié)構(gòu)設(shè)計和上機工藝參數(shù)設(shè)定，選用滌綸/氨綸彈性包覆紗，在GL616DF電腦一體襪機上進(jìn)行壓力襪的編織，壓力襪編織流程如圖7所示，壓力襪各上機工藝參數(shù)如表2所示。電腦一體襪機通過選針器控制織針系統(tǒng)運動，控制織針達(dá)到不同的編織工藝位置，成圈系統(tǒng)和輔助成圈機構(gòu)相互作用完成電腦襪機的各種編織動作，滿足壓力襪的變密度編織要求。

圖7 GL616DF電腦一體襪機壓力襪編織流程

表2 壓力襪的工藝要求與上機參數(shù)設(shè)定

注：1—襪口，2—上筒，3—中筒，4—下筒，5—襪跟，6—襪底，7—襪面，8-襪頭。

2.2 實驗條件與測試方法

按照壓力襪紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(FZ/T 73021—2009)的相關(guān)要求進(jìn)行檢測，測試環(huán)境溫度要求為(20±2)℃，相對濕度為65%±4%。參照壓力襪紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，將壓力襪襪筒部分劃分成圖8所示的部段，對各部段進(jìn)行壓力測試。

A．腳底；B．腳踝上部；B′．跟腱與小腿后肌轉(zhuǎn)變處；C．小腿周長最大處；D．膝蓋部；E．膝蓋上部；F．大腿部圖8 壓力襪各部段的劃分

檢測時，將腿模放置在人臺架上，將Flexiforce柔性傳感器分別固定在腿模B、B’、C、D、E和F部位分別進(jìn)行壓力參數(shù)采樣，為了避免測量過程中的機械震動和熱擾動引起的干擾，在測試系統(tǒng)靜置一段時間后，啟動壓力采集系統(tǒng)進(jìn)行壓力值采樣。壓力采樣值經(jīng)數(shù)字化采集系統(tǒng)處理后，基于LabVIEW實現(xiàn)輸出結(jié)果的可視化。圖9為實驗測試實景照片。

圖9 實驗測試照片

3 實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

根據(jù)壓力襪襪筒不同部位的劃分，選擇B、B’、C、D、E、F為測量點進(jìn)行參數(shù)檢測，測量點部分測試獲得的參數(shù)如圖10所示。

圖10 不同位置壓力測試結(jié)果

分別對各個壓力測試點的壓力變化值進(jìn)行采樣，每個測試點采集300個數(shù)據(jù)，并取均值，各個壓力點的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各壓力測試點測試結(jié)果表

壓力測試曲線如圖11所示，結(jié)果表明壓力襪的壓力分布由腳踝向上逐漸減小。

4 結(jié) 論

a) 根據(jù)人體工學(xué)原理和紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求制備壓力襪，按照壓力襪壓力測試要求，采用Flexiforce柔性壓力傳感器，設(shè)計與搭建壓力襪壓力測試平臺，并對壓力襪不同部段進(jìn)行壓力測試。

b) 通過CRIO嵌入式硬件和LabVIEW軟件，進(jìn)行壓力襪壓力的電壓信號采集、處理和保存，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)處理分析和可視化，使測試結(jié)果變得更為清晰直觀。

圖11 襪筒壓力測試結(jié)果分析

c) 在人臺穿著壓力襪狀態(tài)下測試腳踝、小腿、大腿等多部位圍度上的壓力值，腳踝處壓力值為2.553 kPa，小腿處壓力值為1.995 kPa，大腿處壓力值為1.083 kPa。各部位的壓力值測試值符合壓力襪的設(shè)計要求，壓力變化趨勢與沿腳踝向上逐漸遞減變化規(guī)律相一致。

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PressureTestingofCompressionStockingsBasedonFlexiblePressureSensor

PANGXin,FANGYuan，LIXinyang

(College of Materials and Textiles, Silk Institute, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In order to solve the pressure testing problems of domestic compression stockings and other shaped textile products, a pressure testing platform for compression stockings was designed and constructed. Flexiforce flexible sensor was used to test the pressure of different parts of compression stockings, and the data were collected in real time through CRIO embedded hardware. Besides, the analysis and visualization of test data were realized based on LabVIEW. The test results of compression stockings showed that the value of ankle pressure is 2.553 kPa, the value of calf pressure is 1.995 kPa, and the value of thigh pressure is 1.083 kPa. The pressure gradient change of the compression stockings conforms to the requirement. The test method is simple, practical and helpful to solve the technical difficulties in the production of compression stockings in domestic textile enterprises.

Flexiforce; LabVIEW; compression stockings; pressure testing

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.11.002

2016-06-28 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-10-10

龐 欣(1990-)，女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事針織方面的研究。

方 園，E-mail：fyuan@126.com

TS184.1

A

1673- 3851 (2017) 06- 0759- 06

(責(zé)任編輯：廖乾生)