基于压电效应原理的一种扁平足测量仪的研究开发

1　引　言

　　根据2003年全国脚型测量工作的统计数据显示:与上个世纪60年代第一次全国脚型测量的结果相比,我国人口出现了相当严重的扁平足现象。特别是12~30岁的青年人群,在这30多年中竟然增加了20%以上。足弓是由足底肌肉、韧带将各个足骨联接在一起而形成的拱形结构,足弓的功能是承载全身重量,保持运动的灵活性,吸收震荡,保护脑、脊柱和胸部、腹部等器官,从而被视为“天然减震器”。若纵弓降低或消失,站立时足弓塌陷,内缘接近地面,即为扁平足。扁平足可造成长时间站立或行走时易于疲劳,足和小腿酸胀疼痛,严重时还可造成腰部和膝关节不适,从而影响劳动和运动能力。造成扁平足的原因包括:①足的肌肉、韧带缺乏锻炼,力量不足。例如,从小不爱参加体育锻炼,或长时间穿过小的鞋,影响脚的肌肉、韧带发育,以致足弓的正常发育受阻;②足的肌肉、韧带过度疲劳,儿童时期长时间的行走、站立、搬抬过重的物品、运动量过大等均可造成;③疾病的影响,脑瘫、小儿麻痹后遗症患儿,跟骨骨折畸形愈合、胫后腱腿断裂,跟骨或其他足骨结核等均可造成扁平足。测量足弓是判断是否存在扁平足的先决条件,现行的测量足弓的方法主要有印记法与X线诊断法,印记法足底蘸滑石粉或水在地面上形成足印,测量足印获得,这种方法相对繁琐;X线诊断法主要缺点是价格贵且不便捷。我们通过压电原理研制新型足弓测量器(压电传感器主要应用在位移、压力和力等的测量中,压电式位移传感器是一种常用的传感器,它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长、价格便宜等优异的特点),从而精确、便捷地进行足弓测量,可作为运动员选材与青少年健康评定的使用仪器,对于促进青少年健康成长具有重要的现实意义。

2　足弓测量系统的研制

2. 1　测试系统工作原理

　　采用压力传感器测试连接电脑分析处理的方法进行软硬件装置研制。在测试足弓区域上多点布置压力传感器,测定受试者足底相关位置处的压力,通过电路生成信号,采集到电脑内进行分析处理(见图1)。

　　传感器是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理,按照一定的工艺和结构研制出来的,由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成(见图2)。本系统拟采用高灵敏度的半导体压力传感器,其灵敏元件为半导体应变片,是利用半导体的压阻效应为工作原理。当半导体应变片受压力作用后,其内载流子的运动能力发生变化而导致电阻改变的现象。转化元件能将敏感元件所感受出的信息直接转换成电信号。而信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。