专利名称：三维分布力测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于对物体间相互作用力的测量装置。主要用于人与物体间相互作用力的分布状态的测量仪器。
人与物体间的相互作用，大都以“分布力”的形式出现的，在本实用新型之前，对于分布力的测量技术，不外乎两种其一是测量其“等效集中力”，即测量结果只给出该作用力的合力的大小、方向和作用点，例如瑞士KISTER(奇石乐)公司生产的测力仪；其二是只测量分布力中垂直于局部测量表面的分力(垂直分量)，例如英国EMED(埃米德)公司生产的压力分布测力仪。第一种测量方法虽然在测力维数及速度上满足了要求，但因只能测合力，而在很多情况下就不适用。
本实用新型的目的是针对目前对分布力测试所存在的缺陷，提供一种可以较准确地反映力的分布状态的三维分布力测试仪，它能对分布力进行动态测试，给出分布力作用在各个局部的力的大小、方向、作用位置。
三维分布力测试仪是由三维分布力测试探头，微处理器数据采集装置及个人微机三部分组成，其中三维分布力测试探头是由多个排列整齐的三维力传感器固定组成，每个三维力传感器是由支架和在其上分别贴的感受作用在x、y、z三个相互垂直方向上的分量的应变片构成。三维分布力测试仪的第二部分微处理器数据采集装置是由多个微处理器及多重选择开关组，差动放大器，模/数(A/D)转换器，存储器，输入/输出口(I/O口)及串行口等组成。本实用新型的另一个特点是构成每个三维力传感器的支架是由至少有三个面的金属型材做成。三维分布力测试仪的工作过程是三维力传感器上的力敏元件应变片把作用在每个三维力传感器上的“局部力”转换成与其成比例的电信号，这些电信号以模拟量的形式输给第二部分，经多重选择开关并被放大后，由A/D转换器变成数字量储存在微处理器内。每个微处理器负责对一定数量的模拟电信号进行采集，在每个微处理器的内部模/数转换是依次进行的，而各个微机则是可同步、可依次工作的。储存在各微处理器内的数字量经各自串行口由个人微机(PC/AT)读出，进行显示和进一步地加工。
三维分布力测试仪，由于采用了独特设计的三维力传感器，解决了分布力测试中的维数问题，使对分布力的三维测试成为可能。又由于制造传感器的支架所使用的材料是金属型材，加工工艺简单，降低了成本。本实用新型的信号采集部分，设计为由多个微处理器组成的“数据采集装置”，解决了分布力测试中的信号采集速度问题，使分布力的动态测试成为可能。由多个微处理器组成的数据采集装置的“功能块体”结构是其一大特点，从理论上讲，这种结构在不改变采集速度的情况下，可以无限地增加被采集信号的数量。综上所述，本实用新型实现了对分布力的三维、动态测量。本实用新型的出现能够推动人与物体间相互作用的深入研究，其应用前景是厂阔的，例如，在关节疾病的辅助诊断方面；对于骨关节、韧带等手术后功能恢复的评价；对运动创伤原因的分析；在运动技术诊断、假肢的改进等方面都会具有重要的应用价值。
图1为三维分布力测试探头结构剖面示意图。
图2为三维力传感器的结构示意图。
图3为微处理器数据采集装置中的子结构图。
图中1、2-传感器(支架)，3-固定框壳，4-多重选择开关，5-差动放大器，6-A/D转换器，P1.0，P1.1，P1.2……-输入/输出口，7-串行口，8-支架，A、B、C、D、E、F--应变片。
下面结合实施例，对照附图对本实用新型作进一步的说明如图1所示，三维分布力测试探头，选择由336个三维力传感器组成，按12×28列阵固定在框壳3中，组成在同一平面的三维分布力探头，感受人与物体间相互作用力的局部力的大小，方向和位置，并将其转换为成比例的电信号。由金属型材做成的测力传感器，其大小可有多种选择，因而测试探头的测试表面也可改变。又由后接“微处理器数据采集群”的性质，其所包含的传感器数目可随意增减，即测试表面可增大或缩小。图2所示的是三维力传感器的结构。其支架8是由一段长15毫米，外截面为15×15毫米，内截面为12×12毫米的中空方形铝合金型材做成的立方块。在其内顶面中心线两端及内侧壁中心线底端各贴两片应变片A、B和C、D。通过材料力学的计算可证明A、B两片只感受作用在支架顶面上的力的垂直分量，Z所指示的方向，不感受其水平分量；而C、D两片则只感受该作用力的水平分量中的y方向分量，不感受其垂直分量及作用点的位置。这种布片方式较好地隔断了垂直与水平分量之间的耦合。同样的另一个(下部)支架只在其内侧壁与C、D片相同的位置上，贴E、F两片应变片，以感受该作用力的x方向的与y成90°方向的水平分量。由图可看出，下部支架2是与上部支架1其状态成90°固定在一起组成的三维分布力测试仪的三维力传感器。图3所示为微处理器数据采集装置中的子结构。本仪器中的数据采集装置由多个微处理器组成，负责信号的采集、存储及传输。它的作用相当于一个位于信号源与个人机之间的缓冲区、特别适用于对多(上千路)信号的快速采集。被储存在各个微处理器内的信号通过双方的串口由PC/AT读出。组成数据采集群的10个子结构采用了由德国PHYTEC公司生产的BDE-537(BDEmodul-537/Light)轻型模块，并把其每个所据有的12路模拟量输入扩展到96路(或96路以上)。BDE-537还具有10比特(Bit)的模/数转换器，在16MHz的本机频率下，其模/数转换时间为7μs(微秒)；32KRAM；RS232串行口等。其性能完全满足要求。在附图3所示的子结构中的多重选择开关组4，一般由12个8-1(8个输入一个输出)COMS型多重选择开关构成。开关的输入端与信号源相接(由应变片构成的四分之一桥或半挢)。其输出与差动放大器5的“十”(同相)输入端相接。差动放大器的输出分别与BDE-537中的内部带有12路模拟输入的A/D转换器6的12个输入端子相接。通过BDE-537所提供的P1输入/输出口(I/O口)来控制多重选择开关组。整个工作过程如下BDE-537发出指令通过P1口首先选择每一个8-1多重开关的第一通道，然后接通12路A/D转换器，依次进行模数转换、存储。接着再通过P1选择每一个8-1多重开关的第二通道，再一次接通模数转换、存储。这样重复下去，直到预定的测试时间结束。被存在BDE-537中的信号由PC/AT依次通过串口读出，进行所需的数据处理。
权利要求1.三维分布力测试仪，其特征是由三维分布力侧试探头、微处理器数据采集装置及个人微机三部分组成，其中三维分布力测试探头是由多个排列整齐的三维力传感器固定组成，而每个三维力传感器是由支架和在其上分别贴的感受作用力在x、y、z三个相互垂直的方向上的分量的应变片构成；其微处理器数据采集装置，是由微处理器及多重选择开关组、差动放大器、模/数(A/D)转换器、存储器、输人/输出口(I/O口)及串行口组成。
2.按照权利要求1所说的三维分布力测试仪，其特征是所说的三维分布力测试探头中的三维力传感器支架是由至少有三个而的金属型材做成。
专利摘要三维分布力测试仪属于对物体间相互作用力的测量装置，它特别适用于人与物体间相互作用力的分布状态的测量。是由三维分布力测试探头、微处理器数据采集装置及个人微机三部分组成，其中三维分布力测试探头是由多个整齐排列固定的三维力传感器组成。微处理器数据采集装置是由多个微处理器组成。三维力传感器的支架是由金属型材做成。实现了对分布力的三维、动态测量。可广泛地用于关节疾病诊断，运动创伤原因的分析，体育运动技术的分析与改进，假肢改进等人与物体间相互作用分布力的研究以及物体之间相互作用力的测量分析。
文档编号G01L5/00GK2234088SQ95212988
公开日1996年8月28日 申请日期1995年6月15日 优先权日1995年6月15日
发明者霍鸣, 柯劳思 申请人:霍鸣