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基于假造仪器坐姿体压分布测试体系设计的研究

来源:www.eappu.com发布时间:2017-09-15点击数:载入中...

随着知识经济的到来, 脑力劳动者的人数明显增长, 坐着工 作已成为当代社会办公人员的主要工作方式。人在坐姿状态下, 体重作用在坐面和靠背上的压力分布称为坐姿体压分布。 它与 坐姿及座椅的设计密切相干, 是设计座椅时需要把握的重要参 数, 更是评价座椅舒适度的一个重要指标。

60 年代开始, 国外专家已经在研制体压分布测量体系方 面做了不少工作。 归结起来, 已研制出的这类体系的道理有 4 : 感压纸法、气压计法、光的完全内反射法和压力传感器。传 感器的测量在传统的仪器测量中占据重要地位, 但它在数据处 理方面的不足限定了它的应用范围。 本文开发了一套基于假造 仪器的传感器信号采集体系, 本体系利用传统传感器在信号测 量方面的优点使之与计算机体系结合, 在计算机上用假造仪器 开发工具 L abV IEW 开发了测控软件, 完成了多参量的采集控 制, 极大地简化了数据采集的过程, 加快了数据采集的速率, 方 便了数据的处理。

1、测试体系硬件设计

体系硬件包括压力传感器平板矩阵、信号调理电路、多路信 号切换电路、信号采集 (接口电路) 及计算机体系组成。

C 1: 起滤波作用, SEN SOR 产生的不规则的信号进行滤波, 减少干扰;

C 2: 相移补偿, 对输入和输出之间的相移进行补偿; R 1, R 2: 配对电阻平衡, 同时转化为电流输入;

R 2: 可调节为抑制偏流而产生的输出失调;

R 3: ( R 1) O P 07 组成放大反馈电路, 确定放大倍数, 同 时形成电压输出。

1.   3 多路信号切换电路设计

为了节省 A /D  转换电路, 16 A /D  转换电路 (一块采 集卡) 完成 256 路信号的采集。由于人体坐姿状态下对椅子的压 力分布变化比较缓慢, 完成 16 路模拟开关高速切换以及对 16 路信号同时采集, 最后得到的 256 路信号数据可以近似看作同 一时间下的坐姿压力情况。

由于体系所测量的压力属于非电量信号, 需要将其转换为 电信号后再进行采集、分析、处理, 而转换完毕的电信号很微弱, 一般在微伏级, 这类微弱的信号很容易受到干扰, 影响到测试的 精度, 因此, 考虑在测点附近对信号进行调理放大后再传输、采 集。 调理放大后的信号有多路, 而采集卡的采集通道有限, 必须 通过信号切换板对信号高速切换依次采集, 最后把测量的信号 准确及时送到计算机进行处理分析。

1. 1 压力传感器平板矩阵设计 由于称重压力传感器是由弹性元件和应变片电桥构成,

最小尺寸长 52mm、宽 12. 7mm、厚 12. 7mm。为了能把 256 个传 感器均匀装置在 480mm ×480mm 的矩阵测试板上, 将传感器 采用阶梯式装置方法装置, 每个压力传感器的受力点分别引到 测试板的 256 个测量孔上。

1. 2 信号调理电路设计 本文选用的是江苏航天信息公司的悬臂梁称重传感器。 压力传感器空载时候的输出为 0 , 满载的时候也只有十几个微 伏。 为了满足采集电路的请求, 充分利用 A /D  采集卡的满量程 分辨率, 信号必须放大, 并进行滤波处理。 同时为了减少传输中 小信号损失和增长抗干扰能力, 256 路传感器的放大调理电 路板紧靠传感器安放, 直接装置在矩阵测试板内。终极矩阵测试 板输出的是正比于压力的 1 5 伏的电压信号。调理板使用的放大芯片是 O P07, O P 07 具有很好的性能: 低漂移, 低噪声, 高精度, 尤其适合用来对直流放大。其信号调理 电路道理图如图 2

由于 SEN SOR 与放大电路本身的影响及电磁干扰, 考虑增 加相应的抗干扰措施, 可加一滤波器对噪声信号进行滤波 (最简 单的方法: O P 07 放大器上外加阻容滤波, R 5C 5) , 也可以 使用硬件与软件相结合的方法完成数字滤波。对 SEN SOR 的信号放大部分的各器件的作用:路模拟开关选用的是 ph ilip s 公司的 H EF 4067B P芯片。多路开关的选通控制信号由计算机程序控制, 通过数字  I/ O  (PC I6014) 口输出, 一旦选通 16 路信号后, 先延时, 保证信号 平稳再采集。 采集完毕后, 继续切换到下 16 , 一直循环, 直至 采集完全部 (256 ) 信号为止。 如果是连续采集, 即动态采集, 则一直循环下去, 直至程序出现中断控制为止。

2、测试体系软件设计

硬件体系的设计只是完成了检测体系的第一步, 即被测数 据的物理信号到电信号的转变, 要将各电压信号转变为用户可 以识别的数字信号以及由检测信号计算出相应的物理信号并形 象地显示出来, 还要经过软件编程。

2.   1 体系的假造仪器控制面板的设计

L abV IEW 使用所见即所 得的 可视化技术建立人机界 面, 针对测试和过程控制领域, L abV IEW 提供了大批的控制对 象, 包含有特地用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能 库和开发工具库。L abV IEW   的数据采集 (D ata A cquisit ion ) 程序库包括了许多 N I 公司数据采集 (DAQ ) 卡的驱动控制程序。 本体系信号采集控制对象主要包括:

D evice- 用来控制 PC I E 系列数据采集板在计算机内的初 始化;

Channels-   用来见识所有定义的数据采集通道的工作情况;

Scan R ate-  可以控制计算机的采样频率;

Buffer Size-   可以控制存储数据缓冲区的大小;

W rite R ate-   可以控制被采集的数据存入数据文件中的速

;

Input L im its- 数据采集板各个通道输入信号的最大值和 最小值。因为传感器的输出信号 (differential) 1  5V , 相应定Button- 用来控制实时数据采集进程、按下 STO P 就停止 采集过程。

其他控制对象还有: 操作者姓名、被测者姓名、传感器中心 距、传感器个数、延时等等。

2. 2 采集体系的图形模块的设计 实时数据采集体系的图形模块采用L abV  IEW独特的 G 语言来设计。L abV IEW 使用丰富的图标来表示功能 (funct ion) 模 块, 每一个图标模块完成一个简单功能, 类似于 C 语言的子程 序, 主程序通过调用、组合及开发子程序 (连接图标) 来完成特定 的功能。软件具有结构化、可视化、逻辑化和模块化等特点, 易于 建立复杂的应用程序, 且可读性强。实时数据采集体系的图形模 块设计思想主框图。

2.   3 采集体系的设备驱动程序

DAQ 体系的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使 计算机体系能够测量物理信号, 必须要使用传感器把物理信号 转换成电信号, 偶然不能把被测信号直接连接到 DAQ , 而必 须使用信号调理辅助电路, 先将信号进行一定的处理。 总之, 数 据采集是借助软件控制全部 DAQ 体系- 包括采集原始数据, 分析数据, 给出结果等。

假造仪器体系软件的基础是设备驱动软件。N I- DAQ 驱 动程序结合L abV IEW 软件平台使用 G 语言编程来控制实时数 据采集体系中的硬件设备。 驱动程序具有通用的应用编程接口 (A P I) , 可以通过接口将硬件设备与计算机连接, 交换数据, 并 且在假造仪器前面板上同步显示结果。

采用L abV IEW N I- DAQ 编制的基于 PC I 总线的实时 数据采集软件, 运行过程中采用编译方式运行该 32 位应用程 序, 不但解决了其他用解释方式运行图形化程序速率较慢的问 题, 而且支持多种体系平台, 可移植性强, 图形界面友爱。

3、总结

该测量体系能对坐姿体压进行静、动态测量, 能通过数据表、二维点图、二维等压线图、三维图直观地显示坐姿体压分布 情况, 具有操作方便易学、功能强, 图形输出美观, 精度高、维修 方便等优点, 而且假造测试体系关键是软件技术, 硬件设备可以 重新组装并更新, 在设计中留下了发展余地, 为扩展体系功能奠 定了基础。 在当前汽车市场对乘坐舒适性请求日益提高的情况 下, 对体压分布研究会引起座椅生产厂家越来越大的爱好, 同时 由于成本上的优势 (如压阻式称重压力传感器仅为几十元, 价格 还不到国外测试体系所用的传感器的十分之一) , 因此它具有广 阔的推行应用前景, 将会对提高国产座椅的性能及提高座椅体压分布的研究水平发挥重要作用。

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