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                  評估電容式壓力傳感器在抓握和操作的分析


                  發布日期:[2018-08-24]    作者:昊明壓力傳感器


                  對人的把握和操作能力的分析是研究人類感官的電機控制和假肢和機器人類似于人類的手最重要。進行這種分析的一個可行的解決方案是開發儀器與手工測量物體的相互作用力。在這樣的背景下,嵌入的對象的傳感器的性能是至關重要的。本文主要研究一類電容壓力傳感器適用于生物力學分析的實驗表征。該分析是在三負載條件下進行(分布載荷,9提示負荷,和波浪形的負荷,由于三不同元素)通過牽引/壓縮試驗機。傳感器評估了人類像抓條件下硅材料具有相同性質的人工美容手套的傳感器和元素間的關系來模擬人體皮膚下。數據顯示,輸入輸出關系的分析–,傳感器由荷載條件的強烈影響(即型單元間)和掌握情況(有或無硅材料)。這需要考慮避免明顯的測量誤差。去這一關,傳感器進行校準,為每個特定的情況下進行適當的修正傳感器的輸出,提高了測量精度。


                  1 .一.導言

                  人類的手是人類與環境之間的主要接口工具;它使世界和學習探索由于知覺。人類把握和操作的能力,以及物體的物理性質和觸覺的表面掃描歧視是對日常生活活動(ADL)執行必要的。
                  施加的力對物體表面的掌握和操作過程中的分布研究掌握由人的質量是至關重要的,機械或人工手。在抓取力和壓力數據通常是通過兩個主要途徑收集。前者是基于可穿戴式的解決方案,例如,傳感器集成在手套或直接安裝在手;如日常生活中常見的物體使用觸覺或壓力傳感器。
                  可穿戴式的解決方案有一些缺點,如傳感器定位和校準耗時的程序;一個復雜的耐磨性,由于一個不完美匹配的傳感器和相應的解剖部位之間;自然運動改變。因此,尤其是當目標是不同的運動結構性能分析人手,如人與假肢手,使用手套或其他傳感器直接應用在手不代表最佳的解決方案,掌握分析。
                  另一方面,檢測對象提供的可能性來衡量抓取力獨立手上的特征,例如,右手或左手,天然、人工或機械手。
                  力在物體表面上的接觸點應用的特點是正常和切向分量。然而,關于掌握大多數信息可以通過唯一的正常成分提取,便于測量。例如,(一)幾個力和滑移控制策略依賴的唯一正常的力;(b)物體滑動可以通過正常的力量[檢索十]可采用在線補償的可能對象滑移[執行穩定的把握;(C)績效指標的文獻質量評價的把握只能用正常力量;(d)最后,幾個儀表嵌入傳感器測量物體只有在外力的正常組成部分。
                  因此,這項工作的重點是電容式傳感器的一個深入的實驗分析,為檢測對象的評估所施加的力的垂直分量可能合適。多年來,許多技術已開發采用了檢測對象。其中最重要的是負載細胞,壓阻式傳感器,如力感應電阻(FSR)傳感器。還特設開發基于電阻測量傳感器模塊被使用,其中導電彈性體的性能是由所施加的正常力改變。然而,研究表明,電容傳感原理比結構簡單的其他技術更好的性能、穩定性和溫度獨立。這就是本文的重點是對電容式傳感器,特別是新公司電容式傳感器屬于輔助系統(即,一個新產品的壓力分布的分析各種接觸面)。他們在商業上可用的傳感器,地址要求來自掌握分析成功地應用于文學作為生物力學應用的壓力傳感器。由于其計量性能、靈活性和無線數據采集系統,這些傳感器已經應用在很多領域,如:假肢(由插座測量樹樁上的壓力分布),在偏癱患者康復(動態足底壓力分布的評價),運動(監測馬負載回到定義不同的車手位置)和診斷(通過監測的足底壓力分布特征研究肥胖對兒童的影響],或在患者足底足潰瘍或糖尿?。?。以前所描述的應用程序沒有分析掌握和操作過程中的法向分力對這些傳感器的可行性研究。
                  的準確性,一些新型的電容式傳感器模型的可靠性和靈敏度已在此前上市的應用分析。進入,在鞋類系統PEDAR精度(即,一個新產品測足之間,相互作用的鞋和地面,通過一個傳感器放置在鞋的意思)已被調查。作者測試設備的絕對精度的步態周期中,說明(我)鞋的類型影響的Pedar系統記錄的數據;(ii)估計負載作用于足底表面一般低于參考一個暗示力的大小估計不足(平均差23.8%)。
                  Murphy等人的研究檢查Pedar傳感器系統顯示的可靠性水平不可接受的可靠性,證明了一類內相關系數從0.529到0.762。此外,在一個馬鞍小說的壓力裝置的有效性和可重復性,為了評估一個騎手的位置,已檢查。第一個是由騎手的重量和測量的正常力之間的相關系數定義的,而通過計算類內相關系數的二。結果表明,本系統使用過程中,隨著時間的推移改變了傳感器的靈敏度,需要日常校準階段,措施的重復性降低其拆卸和更換。這是證明每日傳感器變化從4.4~5 %。進入力的裝置記錄和材料的紋理位于傳感器和負載之間的之間的相關性已被觀察到,顯示壓力分布的差異取決于硬質或軟接觸面積。
                  陽性結果的文獻報道,對把握和操作力分析研究他們鼓勵應用性能和使用新型傳感器的應用研究的缺乏。人們在靜態條件下,傳感器的性能有特殊的關注;負載和傳感器之間的聯系已經由一個單元間介導的(以下簡稱為探針)。該解決方案允許克服可靠性的擔憂和依賴傳感器響應特性。探頭允許加載在整個傳感器的有源區,無論具體的接觸面積和接觸的材料,即,人的皮膚或人工手套。在掌握可能影響傳感器的性能給出了多個不同的情況,探討了以方便力在特定的敏感區域參與目標掌握應用。不同形狀的探針上的投入產出關系的影響進行了研究。此外,人類像抓條件已經用硅材料模仿(典型的人工美容手套)再現人體皮膚評估傳感器的性能在一個場景中接近感興趣的應用軟。這一方面是考慮在幾個醫療應用中最重要的
                  本文的結構如下。進入第2節由傳感器滿足的要求已被確定。然后,主要的工具和協議來實現預期目標的描述。第3節重點是通過從傳感器和通過與參考值比較的壓力數據處理得出實驗結果;第4節提出了關于結果的關鍵因素;最后,在第5節結論和未來的工作進行了討論。

                  2。材料與方法

                  一個觸覺傳感器應滿足應用要求(即,在自然和人工手抓力分析):(我)測量范圍可達10 N和0.2 N [鑒別閾值三十],以人情味;(ii)良好的精度的措施,至少有百分之五的滿量程范圍;(三)因其適應性強,任何形狀的物體的柔性傳感器材料。
                  一個滿足上述要求的商業系統是由新公司電容式傳感器代表。它們的特點是(從數據表)(我的)一個鑒別閾值的測量范圍從0.5 kPa上升至20 kPa,取決于特定的校準階段由制造商完成(這些值對應于0.05 N和2 N,分別);(ii)穩定在60 kPa,2000 kPa之間(對應6 N 200 N分別);(iii)的全量程的% 5的精度;(四)一平方1厘米的傳感元件的有效面積二;(五)高度的靈活性和不同傳感器尺寸可允許我們使用他們的各種配置和不同形狀的物體。
                  四種傳感器的響應,在接下來的058, 059、060, 061名,s2004(XL型插座傳感器圖1a)在不同的負載條件下進行了實驗評估。這些傳感器包括一個電容式傳感器矩陣的單感官元素有1厘米的區域二。每個單元包括一個中空的波浪形的有源區和凸起的波浪形不一。傳感器提出了9感官元素組織在一個三×三矩陣。感官元件的測量范圍為3 kPa–200 kPa(0.3 N–20 N)。每個傳感器被連接到一個新的盒子(圖1C)對信號的采集和處理通過連接電纜(圖1B),從而使數據闡述和溝通。數據是通過一個由通信密鑰啟用藍牙通信手段的新型箱傳輸到計算機。數據已被使用50赫茲的采樣頻率采集并已通過藍牙通信手段發送到計算機。的pliance-x在線專家軟件(16圖1D顯示軟件界面)已被用于記錄和情節的接觸面積,總壓和總力??偭M由傳感器矩陣在一個給定的時間測量計算
                  FM=一∑NI=一PI,
                  (1)
                  哪里一是每個傳感單元的面積(即1厘米二),PI是通過測量壓力值I世紀的傳感元件在時刻t,N是敏感元件組成的傳感器陣列的數量。
                  Sensors 17 02846 g001 550
                  圖1從傳感器數據采集實驗裝置:(一)一個插座傳感器XL s2004和他的波浪形區域的連接(B)電纜(C一種新型箱)的信號采集與處理。已收集和發送到計算機的數據。(D軟件的界面
                  傳感器的計量屬性已被軍隊在整個感興趣的應用范圍估計(即,高達9 N)使用牽引/壓縮試驗機,即,Instron 3365(圖2)。該系統配備了一個傳感器(測力精度可達10 N,±0.25%的讀值)所施加的力提供參考(FR)
                  Sensors 17 02846 g002 550
                  圖2牽引/壓縮試驗機拉力機3365。白界強調:(一)負載細胞,使用探針;(B)傳感器定位平面支持。
                  力已經設置了兩參數的應用。第一個是加載速度,設置為2毫米?min?1。二是力由INSTRON實驗中應用的最大值。1 N 9 N為了評估感興趣的整個范圍的傳感器響應力值。在每個實驗結束時,應用的負載傳感器已十在高原獲得(參考圖3,力已在考慮區間從15s 25 s)記錄傳感器的穩態響應。圖3顯示所施加的力的一個典型的趨勢FR與每個值9,最大值三的收購是重復性條件下。試驗的低數量已經計算覆蓋率估計的擴展不確定度考慮下試驗更大的覆蓋因子數。事實上,具有2個自由度的t的學生分布(試驗?1號)已被使用。進入圖3,曲線的深度代表平均值的標準偏差±的力在3試驗記錄。由于在測量高重復性標準偏差值很低(即最大計算值約為N)。
                  Sensors 17 02846 g003 550
                  圖三隨時間變化的力在三個重復使用的牽引/壓縮試驗機應用于傳感器。曲線的深度代表平均值的力施加在三試驗±標準偏差。
                  該傳感器已在三個不同的負載條件下測試:(一)分布載荷;(b)9提示負載;和(c)波型負載。如圖所示圖1一、傳感器由9感官元素組織在一個3×3矩陣中空波浪形的活躍的地區,提出了波浪形不活躍的。首先,負載被施加在整個傳感器的表面(即,“載”加載條件下),為了測試條件對傳感器施加一個力傳感器的手指相媲美。檢查各傳感元件的內部結構(圖4一個地區),可以觀察到,兩個傳感元件疊加(這是包圍在黃圖4一)。這個區域代表傳感器的最活躍的地區。因此,負荷已由“提示負載裝置應用于傳感器的9感官9要素中的最活躍的地區”。最后,為了將對整個波浪形的有源區的負荷,“波浪形荷載加載條件下進行測定。
                  Sensors 17 02846 g004 550
                  圖4(一)一個傳感器的XL s2004傳感元件的內部結構。最活躍的地區,在那里兩傳感元件的疊加,是包圍在黃;(B)與最活躍的區域包圍在黃傳感器外部視圖。
                  為了達到這個目的,ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)探針已用3D打印技術開發了。在分布式負載,負載是由一個平面顯示探針應用于分布式傳感器(圖5A,D)。裝卸區有30×30毫米尺寸二對應于傳感器的有源區。9提示負載,負載已采用由9尖高10毫米探頭,1.1毫米和10.1毫米的邊緣到邊緣的距離直徑(圖5B、E)。該元素允許負載在每個單元矩陣的最敏感的區域對應的應用。在波浪形的負載,用在第三配置的探頭波形加載區與傳感器的有源區(圖5C、F)。因此,這三個探頭的形狀允許測試最重要的載荷條件。
                  Sensors 17 02846 g005 550
                  圖5該傳感器和裝載探針用于三種配置之間的耦合實驗步驟:(一分布載荷;()B9提示負荷;()C波浪形的負荷)。在(D–F)所示為三配置的三維CAD。
                  為了復制人類像抓條件,人類的指尖和傳感器之間的聯系已由硅材料在傳感器表面相反的探針定位模仿(圖6)。材料,從美容手套用于商業假體(即陡硅膠美容手套),想要模仿人體皮膚的柔軟。進入圖6一、真正的掌握情況顯示:假肢手指,由硅美容手套,在接觸位于裝載探針傳感器放置在對象被抓。這種版本的實際掌握情況顯示圖6B,在假肢手指是由硅材料在剛性元件的模擬。實驗2負載條件下,達到最佳的性能(即,9的提示下進行負荷和波浪形負載),如圖所示第3節
                  Sensors 17 02846 g006 550
                  圖六人類像抓條件。實際情況(一)是模仿在右邊顯示的設置(B)
                  為了保證結果的可重復性,為一個單一的配置,實驗是在重復性條件下(相同的測量程序,進行同一運營商的同一測量系統和相同的位置,在推薦)。此外,進行了測量,改變使用條件(載荷條件下探頭的形狀和存在或不的硅材料)。
                  輸入輸出關系–傳感器在測試已獲得通過的線性擬合FR和FM在整個感興趣的范圍內,考慮到上述三個加載條件下,和掌握情況(有或無硅材料)。每個條件的最佳擬合曲線一直采用均方誤差算法計算。
                  進一步的分析進行了量化的區別FR和FM用溫和的奧特曼分析。這種分析主要是用來比較的測量系統與一個參考系統提供的測試提供的輸出。特別是我們所代表的溫和的奧特曼圖,顯示在X軸由兩系統獲得的測量結果的平均值(在我們的情況下Fˉˉˉ)和Y軸上的兩個系統提供的值之間的差異(在我們的情況下dF)。兩者的平均差異(mod,報道的X軸上的所有值的平均值)和限制協議(LOA,計算模型±1.96?SD,SD的標準偏差值都報道了Y軸)進行了計算。這種分析已經進行了考慮兩個條件:(一)直接比較FR和FM;(ii)之間的比較FR和力FC這是一個修正,FMFC有兩個分析步驟:首先,計算線性關系擬合曲線FR和FM倒置法提取了兩個插值系數;其次,插入的系數之間的線性關系FM和FC
                  實驗數據之間的差異得到的所有其他條件下得到的分布式負載和結果(9提示,負載,和波浪形的負荷,與無硅材料)是利用學生的配對比較T檢驗和被認為是重要的P-value < 0.05.
                  MATLAB?(MathWorks軟件、內蒂克、馬、美國)包被用來分析實驗過程中所收集的實驗數據。

                  三.結果

                  結果表明,四的插座之間的類似行為s2004傳感器XL(即,058, 059,060, 061)的一個最大的差異–0.4 N 0.5 N在9 N.因此施加的載荷對應,為簡潔起見,僅對一個傳感器的數據(即,s2004–060)是以下報道。
                  圖7顯示的關系FR和FM傳感器的插座s2004–060 XL。FM報道±值平均值的擴展不確定度超過三重復試驗用不同負荷(例如,為9 N,以下值施加的負荷FM測定:1.03±0.15 N的分布荷載,13.63±0.06 N 9要訣,負載0.06 N,9.57±波浪形負載)。擴展不確定度估計已考慮與自由和95%的信心水平的學生參考2度分布,在[推薦三十一]。和圖7,誤差棒代表考慮擴展不確定度的計算采用T-學生參考分布的置信區間。
                  Sensors 17 02846 g007 550
                  圖7±測量擴展不確定度的力的平均值,為傳感器s2004–060和每個參考載荷。每個檢查加載條件最佳擬合線也顯示。
                  最佳擬合線代表傳感器校準曲線計算已考慮FR比鑒別閾值(即4 N的分布荷載,案例1 N為9提示載荷和波浪形負載)。
                  結果表明,在一般情況下,傳感器的響應是由加載條件的強烈影響,事實上B或C,判別閾值范圍從1 N(為波浪形的負荷和9提示負載)4 N(為分布式負載)。只考慮力值傳感器的歧視(4 N 9 N的分布荷載,案例1 N 9 N 9提示負載,從1至9 N為波浪形,負荷)之間的關系FR和FM表示的是一個線性模型,通過相關系數的高值確定(R二)報道表1(即,0.980,0.986,0.988,9的分布荷載,荷載和波浪形尖負荷,分別)。的敏感性,作為最佳擬合直線,斜率為0.1631,1.622,1.113為三的負載條件下,分別。
                  表1結果從校準曲線為每個負載條件下,考慮到傳感器s2004–060。
                  Table
                  校準已被人類像抓條件中的兩例9提示負荷下進行,波浪形的負載(即負載條件下具有最高的靈敏度,如圖所示)圖8
                  Sensors 17 02846 g008 550
                  圖8±測量擴展不確定度的力的平均值,為傳感器s2004–060人類像抓下每個參考載荷。每個檢查加載條件最佳擬合線也顯示。
                  在這種情況下的負載條件下影響系統的輸入輸出關系–甄別閾值和靈敏度。為了有一個清晰的評估計量屬性在所有不同的分析條件,靈敏度和鑒別閾值進行了表1
                  圖9和圖10顯示溫和的奧特曼分析,允許比較FM和FC與FR
                  Sensors 17 02846 g009 550
                  圖9Bland Altman的比較分析FM與FR對于三加載條件(數據相關的分布荷載,荷載9提示,和波浪形負載顯示為紅色,黑色和藍色,分別)。
                  Sensors 17 02846 g010 550

                  布蘭德-奧特曼分析也被執行人像抓條件下(圖11和圖12)探討一個更現實的情況下傳感器的性能(即,與硅材料在傳感器表面與探針,模仿人體皮膚)。
                  Sensors 17 02846 g011 550
                  圖11Bland Altman的比較分析FM與FR對于兩工況條件下人類像抓(9提示負荷,相關數據和波形負載是黑色和藍色,分別顯示)。
                  Sensors 17 02846 g012 550
                  圖12Bland Altman的比較分析FC與FR對于兩工況條件下人類像抓(結果與9端負載

                  4。討論

                  進行分析的目的是(我)量化特定負載條件的影響(可掌握在真實的情景中的任務評價中使用)對傳感器響應;及(ii)了解特定負載條件下的使用可以改善所考慮的應用傳感器的性能(即,掌握和操縱力的分析)。雖然這些商業傳感器已在幾個領域進行評估(如測量壓力分布的殘肢與假肢[插座之間,康復運動診斷和),據我們所知,這是第一個研究這些傳感器的把握和操作力的響應分析。對傳感器性能的影響作了簡要探討了作者以前的工分析,但使用不同類型的傳感器(例如,壓阻式)。這項研究的重點是電容式傳感器由于其更好的性能相對于其他技術
                  結果表明,為了使用分析傳感器對我們感興趣的具體應用(掌握力分析),有必要考慮載荷條件(即探頭的材料類型是接觸傳感器的形狀),因為它強烈地影響傳感器的響應。事實上,這些結果表明圖7表明該傳感器不能用令人滿意的性能,當負荷分布(條件與傳感器上施加一個力指)應用于傳感器(更好的識別閾值和靈敏度要求)。
                  采用修正的線性模型的基礎上,估計力很接近在所有測量范圍的參考值,沒有大幅低估(如圖所示的MOD,低值見圖8);然而,判別閾值不能改進。所得到的結果與9個負載顯示傳感器的靈敏度顯著增加(即,1.62和1.55在人像抓條件)。事實上,當負載接近9 N時,記錄力顯著高于實際。此外,該解決方案允許歧視門檻提高(即1 N)這是接近我們的要求。這是通過應用九個傳感元件的傳感器在最敏感的區域對應準時荷載引起的。雖然這個加載條件介紹所施加的力的高估,它可以通過通過傳感器的標定計算線性模型的修正。波浪形探針傳感器結構和復制可以獲得良好的識別閾值(即1 N),相當于9的提示負載和高靈敏度(即,1.11和1.22在人像抓條件)。在這種情況下也可以提高精度的校正。因此,特定的負載條件下,可以改善上述的計量特性,得到了特定條件下的校準曲線可以用來避免明顯的測量誤差。
                  此外,該傳感器被人類把握的條件下進行評估(通過將探頭和傳感器之間的硅材料)。從得到的結果,我們可以得出這樣的結論:插座傳感器XL s2004計量特性,特別是鑒別閾值和靈敏度,也取決于硅材料的存在。
                  在語境中把握的對象進行分析檢測,加載面積取決于多種因素:對象的類型、執行方面的特點和特定的任務。由于插座傳感器XL s2004裝卸區的影響,該系統可以通過相關的測量誤差的影響。探針的使用放置對象和負載保證一個特定的裝卸區無論是此前上市的因素之間的。因此,提出的解決方案可以克服這些問題,在掌握分析結合特定的校準曲線的具體條件,如探針插入形狀和材料。此外,根據具體的應用,有可能往9提示加載或波浪形荷載加載解決方案(如果有高靈敏度和低分辨閾值是必需的)。這些研究的目的是最大限度地提高傳感器的插座XL s2004表現為考慮的應用程序(即,掌握和操縱力分析)。

                  5 .2 .結論

                  在本文中,使用可行性商業電容式壓力傳感器為檢測對象進行分析和把握了。首先,對傳感器的性能已經在不同的負載條件下的功能分析。然后,傳感器評估已經被人類像抓的條件下進行,通過模擬皮膚接觸雖然硅材料。
                  校準曲線為每個配置的具體使用,考慮到負載條件、材料位于傳感器和探頭之間,可以提高傳感器的精度,以及調節其靈敏度和鑒別閾值。
                  探針提出導致創建一個可重復的測量系統為目標的應用程序,旨在測量(通過檢測對象)接觸力由人力或人工手在抓握和操作任務獨立的觸點材料、裝卸區、手的特點和特定的任務。
                  未來的工作將致力于使用所獲得的結果進行把握和操作的分析儀器的發展目標。這些設備可以使定量和客觀的方面把握和操縱能力的評價,也適用于任何學科無論具體的人體特征。值得注意的是,其他影響因素可能的影響,如在不同的抓取彎曲傳感器的影響。最后,為進一步的步驟,這些傳感器的檢測對象的發展將開展以學習掌握能力ADL任務在健康受試者和截肢者穿著假肢手。





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