高精度鞋類(lèi)減震試驗(yàn)機(jī)的研制

韓健健 胡勇杰 高軍

（1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東廣州 510670；2.東莞市恒宇儀器有限公司，廣東東莞 523000）

我國(guó)是全球最大的產(chǎn)鞋國(guó)和鞋類(lèi)出口國(guó)，減震系統(tǒng)是鞋類(lèi)尤其是運(yùn)動(dòng)鞋中最重要的核心部分，運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體會(huì)不停的承受很大重力，腳落地時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力[1]。如果穿著的鞋沒(méi)有良好的減震系統(tǒng)來(lái)緩沖這種沖擊，人的雙腳將會(huì)感到疲憊不堪，無(wú)法保持速度和耐力。更為嚴(yán)重的是，高頻率和高強(qiáng)度的沖擊，會(huì)對(duì)大腦造成震蕩，對(duì)健康造成損害[2,3]。具備減震功能的鞋類(lèi)可以防止運(yùn)動(dòng)傷害，尤其是防止脛骨痛、骨折及關(guān)節(jié)痛，減輕疲倦感，即相對(duì)的提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，迅速恢復(fù)體力，不易造成雙腳酸痛。因此，減震性能是鞋類(lèi)提高穿著舒適性，以及防止運(yùn)動(dòng)傷害非常重要的安全性能。

但是，目前市場(chǎng)上鞋類(lèi)的減震性能質(zhì)量參差不齊，究其原因，主要有以下三個(gè)方面：一是不少中小鞋企為了擴(kuò)大銷(xiāo)售業(yè)績(jī)，將減震性能作為噱頭吸引消費(fèi)者的注意，生產(chǎn)的鞋類(lèi)未經(jīng)質(zhì)量把關(guān)就投入市場(chǎng)；二是大型鞋企和研發(fā)機(jī)構(gòu)受限于現(xiàn)有減震檢測(cè)設(shè)備的功能，難以研發(fā)出符合減震性能要求的鞋類(lèi)產(chǎn)品；三是檢測(cè)機(jī)構(gòu)缺少有效的檢測(cè)設(shè)備對(duì)鞋類(lèi)減震性能質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，導(dǎo)致監(jiān)管缺位。歸根結(jié)底，鞋類(lèi)減震性能長(zhǎng)期處于不理想狀態(tài)，還是由于缺少有效的減震試驗(yàn)機(jī)對(duì)質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)。

鑒于此，研制檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)、重現(xiàn)性更高的滿(mǎn)足各種鞋類(lèi)實(shí)際檢測(cè)需要的減震試驗(yàn)機(jī)的，是非常有必要的。

1 高精度鞋類(lèi)減震試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)思路

試驗(yàn)設(shè)備的精度，是其使用的核心要素。研究通過(guò)在高精度的力學(xué)作用點(diǎn)、高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等方面，進(jìn)行技術(shù)突破，攻克當(dāng)前減震試驗(yàn)機(jī)精度難以滿(mǎn)足實(shí)際檢測(cè)要求的難題。

2 研發(fā)過(guò)程及討論

2.1 高精度的力學(xué)作用點(diǎn)確立

力學(xué)作用點(diǎn)的關(guān)鍵影響因素，為零點(diǎn)面的精準(zhǔn)程度。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)沖擊能量為5 J 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沖擊高度為（50±2.5）mm，因?yàn)闆_擊高度的精度，直接影響著沖擊能量的精度，而位移零點(diǎn)位置的選取又會(huì)直接影響到?jīng)_擊高度，從而導(dǎo)致沖擊能量的變化，所以如何確定位移零點(diǎn)十分重要。

目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有儀器對(duì)于位移零點(diǎn)的選取方式有兩種，一種是沖錘壓在試樣表面清零，另一種是手動(dòng)調(diào)整沖錘高度至接觸試樣表面再清零。第一種清零方式，由于沖錘壓在試樣表面會(huì)使試樣產(chǎn)生凹陷，導(dǎo)致試樣的位移零點(diǎn)值產(chǎn)生偏移，從而影響測(cè)試數(shù)據(jù)，并且這種影響，會(huì)隨著試樣硬度的不同而有顯著差異，這也導(dǎo)致了采用傳統(tǒng)固定高度方式，在測(cè)定不同材質(zhì)樣品時(shí)存在結(jié)果不準(zhǔn)確的嚴(yán)重問(wèn)題；第二種清零方式，因?yàn)槭遣捎檬謩?dòng)調(diào)整高度的方式，同時(shí)用肉眼觀察沖錘接觸至試樣表面再清零，這種人為操作的方式因人而異，容易產(chǎn)生人為誤差，且操作不便，容易造成視覺(jué)疲勞、效率低。

為了攻克現(xiàn)行兩種清零方式存在的以上問(wèn)題，研究重新定義了一種自動(dòng)測(cè)量位移零點(diǎn)方式，即把沖錘剛接觸到試樣表面，并產(chǎn)生2 N 的接觸力時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移值作為零點(diǎn)，然后每一次的沖擊高度，都會(huì)根據(jù)上一次沖擊產(chǎn)生2 N 接觸力時(shí)的位移零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，這樣便能精確控制每一次的沖擊高度都相同，同時(shí)避免了試樣經(jīng)反復(fù)沖擊后產(chǎn)生形變、凹陷導(dǎo)致零點(diǎn)面變化，而影響測(cè)試精度，以及人工操作的誤差，使操作更加簡(jiǎn)便，提高測(cè)試效率。不同清零方式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，如表1 所示。

從表1 可知，沖錘壓在試樣表面清零所測(cè)得的G 值，比手動(dòng)調(diào)整清零和自動(dòng)清零所測(cè)得的值要小，這也驗(yàn)證了之前的判斷，因?yàn)闆_錘壓在試樣表面會(huì)使試樣產(chǎn)生凹陷（如圖1 所示），此時(shí)清零則導(dǎo)致試樣的位移零點(diǎn)值低于實(shí)際值，而儀器提升高度設(shè)定的是定值，零點(diǎn)面偏低就會(huì)導(dǎo)致提升高度偏小，降低了沖擊高度，使得G 值偏小。

圖1 沖錘壓在試樣表面示意圖

手動(dòng)調(diào)整高度清零所測(cè)得的數(shù)據(jù)波動(dòng)大，是因?yàn)檫@種方式容易受到人為等外部因數(shù)的干擾而影響測(cè)試精度。結(jié)果表明，采用自動(dòng)清零方式所測(cè)得的數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定，可靠性更高。

2.2 高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

減震試驗(yàn)機(jī)的直接作用是通過(guò)試驗(yàn)，輸出樣品減震性能的試驗(yàn)結(jié)果，因此，高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是試驗(yàn)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

傳感器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的起始點(diǎn)，傳感器的好壞直接決定了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有設(shè)備，都是采用普通傳感器測(cè)量位移值，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格實(shí)惠，但因這種方式傳感器測(cè)量桿與沖錘裝置直接相連，傳感器內(nèi)置的回位彈簧會(huì)有力作用在沖錘裝置上，從而影響測(cè)試精度（其安裝方式如圖2 所示），為解決該問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)采用了一種非接觸式光柵位移傳感器（如圖3 所示）。

圖2 普通位移傳感器安裝方式

圖3 光柵位移傳感器安裝方式

研究通過(guò)對(duì)DIN 標(biāo)準(zhǔn)橡膠試片進(jìn)行測(cè)試，分析比較兩種不同類(lèi)型的位移傳感器對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，結(jié)果如表2 所示。

從表2 可知，使用光柵位移傳感器測(cè)得的能量回復(fù)率，比使用普通位移傳感器測(cè)得的能量回復(fù)率高，這是因?yàn)楣鈻艂鞲衅鞯淖x數(shù)頭，和光柵尺之間的安裝方式是非接觸式的，兩者分別安裝在儀器的固定端和運(yùn)動(dòng)端，其運(yùn)動(dòng)裝置的質(zhì)量是恒定不變的，避免了外力的干擾，但若用普通位移傳感器，因其內(nèi)部帶有復(fù)位彈簧，隨著壓縮位移的不同其彈力也會(huì)相應(yīng)改變，導(dǎo)致始終有一個(gè)變化的外力作用在沖錘裝置部位，從而影響測(cè)試效果，因這個(gè)外力會(huì)阻礙沖錘的反彈性，所以采用普通位移傳感器測(cè)得的能量回復(fù)率數(shù)據(jù)會(huì)偏低。由此可見(jiàn)，采用光柵位移傳感器可有效克服這個(gè)弊端，提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2 普通位移傳感器和光柵位移傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

不同于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的減震試驗(yàn)機(jī)，本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)，新定義了一種清零方式，因此，不同于國(guó)際上單一應(yīng)用位移傳感器，本研究采用位移和力學(xué)雙重傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。位移和力學(xué)雙重傳感器的應(yīng)用，使得每次的沖擊高度為恒定值，并得到精確控制，有效避免了試樣經(jīng)反復(fù)沖擊后產(chǎn)生形變、凹陷，導(dǎo)致零點(diǎn)面變化而影響測(cè)試精度及人工操作的誤差，徹底消除試樣壓縮后零點(diǎn)面變化，導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果不精確、重現(xiàn)性差等問(wèn)題。

從傳感器產(chǎn)生的壓電電荷信號(hào)，是非常微弱的，需要經(jīng)過(guò)放大電路的進(jìn)一步放大處理，才能給后續(xù)的采集芯片采集解析。從傳感器傳出來(lái)的原始數(shù)據(jù)，如圖4 所示。從圖4 可以看出，雖然原始數(shù)據(jù)信號(hào)波形輪廓清晰，但是波形中參雜的各種噪聲和干擾也是非常的強(qiáng)烈。該波形如果直接放大給到AD 模數(shù)芯片采集，將會(huì)使得采集出來(lái)的數(shù)據(jù)，充滿(mǎn)各種雜波干擾，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。

圖4 原始數(shù)據(jù)波形圖

為了確保后續(xù)解析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，研究通過(guò)濾波調(diào)理電路的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，對(duì)干擾到信號(hào)的雜波進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5所示。

圖5 初次調(diào)理數(shù)據(jù)波形圖

由圖5可知，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路調(diào)制后，波形明顯變得干凈許多，即開(kāi)發(fā)的濾波調(diào)理電路，可有效降低雜波干擾對(duì)信號(hào)波的影響，顯著提高信號(hào)輸出質(zhì)量。經(jīng)過(guò)初次的調(diào)理電路調(diào)制，未放大前波形良好，但是在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行信號(hào)放大后，波形稍微有一些雜波，研究精益求精，在此基礎(chǔ)上對(duì)波形再次進(jìn)行二次調(diào)理調(diào)制，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 二次調(diào)理數(shù)據(jù)波形圖

由圖6 可知，經(jīng)過(guò)雙重濾波調(diào)理電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，采集到的信號(hào)波形明顯得到優(yōu)化。因此，在放大電路前后設(shè)計(jì)兩級(jí)信號(hào)調(diào)制，對(duì)信號(hào)解析前的預(yù)處理，至關(guān)重要。研究采用的采集卡放大電路，包含了信號(hào)調(diào)理電路—信號(hào)放大電路—信號(hào)調(diào)理電路。

AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換是整個(gè)采集卡的硬件核心，高分辨率的采集能力，對(duì)于細(xì)節(jié)的解析更精細(xì)。而對(duì)于瞬間的沖擊數(shù)據(jù)，高頻的采集能力，至關(guān)重要。因?yàn)闆_擊中的峰值，都是瞬間出現(xiàn)，采集的頻率越高，越是容易采集到真正的峰值。采集的頻率低，則會(huì)遺漏實(shí)際峰值，最終導(dǎo)致由此計(jì)算的結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。研究采用超高速的DSP 核心芯片的采集卡，使采集的數(shù)據(jù)，首先在硬件的層面就有了高精度（24 bit），超高速（5 MHz）的保障。AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，得到的數(shù)據(jù)，會(huì)直接進(jìn)入CPU，通過(guò)USB 高速接口，直連電腦。

基于以上硬件配置，研究采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，就跟物理上的實(shí)際值比較接近。但是，在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，受限于電源精度、穩(wěn)定性，以及標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻的細(xì)微偏差等，使得最終采集到的信號(hào)，以及經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)據(jù)，跟實(shí)際的物理量之間存在一定的偏差，研究開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用軟件和算法，來(lái)確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

采用研發(fā)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用軟件和算法，通過(guò)采集到的AD 值（例如AD1），對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)實(shí)際物理量值（例如標(biāo)準(zhǔn)值1），研究建立了“采集值—實(shí)際值”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)建立8 組對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得系統(tǒng)自動(dòng)在采集的數(shù)值，與實(shí)際的物理值之間建立運(yùn)算關(guān)系，即運(yùn)算系數(shù)與偏移（一次函數(shù)模型）。

上述8 組對(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著系統(tǒng)要求的不同，可以任意增加或減少匹配的組數(shù)。組數(shù)越多，標(biāo)定越是精細(xì)，就越是跟實(shí)際物理值趨近。從而最終會(huì)得出高精度、高可靠的數(shù)據(jù)表達(dá)。

試驗(yàn)速度和采樣速度也直接決定了設(shè)備的精度，研發(fā)的試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)速度采用閉環(huán)系統(tǒng)控制，精度優(yōu)于（2±0.05）秒/次。設(shè)計(jì)采用40000 Hz 的高速采集系統(tǒng)，使得位移峰值、力量峰值的采集，更真實(shí)的反應(yīng)物理的真實(shí)峰值。

3 結(jié)論

研究通過(guò)高精度的力學(xué)作用點(diǎn)確立，徹底消除試樣壓縮后零點(diǎn)面變化，導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果不精確、重現(xiàn)性差等問(wèn)題，減少人為誤差，并顯著提高了檢測(cè)效率；通過(guò)高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，全面實(shí)現(xiàn)研發(fā)的減震試驗(yàn)機(jī)高精度的技術(shù)特性。