基于PVDF传感器的运动鞋设计测试分析系统研究

论文摘要

体育运动在世界上越来越受到人们的关注,运动所必须的运动鞋就扮演着越来越重要的角色。当前国内大多数制鞋企业缺少运动鞋测试分析系统,很难为运动鞋的设计、研发提供科学合理的依据。如果运动员穿着设计不合理的鞋,长期训练、比赛,有可能导致足部结构畸形,造成膝、踝、足趾关节挫伤及肌肉拉伤。可见,穿着设计不合理的运动鞋不仅不能让运动员达到锻炼效果,反而会造成运动损伤。因此,运用先进科技指导运动鞋的设计、研发、生产,对提高运动员的训练成绩、保护运动员、促进运动受伤后的康复有着极其重要的意义。PVDF(聚偏氟乙烯)是一种新型的高分子聚合物型传感材料。基于PVDF材料的传感元件具有压电性能好、声阻抗低、频响宽等优点,可广泛应用于各种压力的实际测量中。本文完成以下工作：第一,设计、制作了以PV膜作为保护层,导电硅胶作为基座的PVDF压电传感器,避免了前人所设计的金属悬臂梁结构的PVDF压电传感器在本测试系统中会造成足部的不舒适这一情况的发生。第二,从运动力学和生物结构的角度出发,进行了科学的传感器阵列布置。第三,研发了与PVDF压电传感器相匹配的信号调理电路,数据经一次性实时多路采集,分布式缓存后,通过USB口与计算机相连接,运用相关软件对分布式数据进行显示。经实验证明,该基于PVDF传感器的测试系统能够实时采集运动鞋的动、静态压力信息,验证了该系统能够正确地、实时地获得有效的相关信息,最后提出分析方法,为运动鞋的设计提供科学指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 运动鞋的舒适度设计与足部运动压力实时测试的关系
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内外运动鞋与科技关系的发展与现状
• 1.3.2 国内外足部压力测量技术的研究发展与现状
• 1.3.2.1 足部压力分布测量技术的分类
• 1.3.2.3 国内外足底压力分布测量技术的研究发展及现状
• 1.4 本文研究的内容及论文框架
• 1.4.1 论文研究内容
• 1.4.2 论文框架
• 第二章 足外科学
• 2.1 足部解剖学
• 2.1.1 足部骨骼和足弓
• 2.1.2 足部的关节和韧带
• 2.1.3 足部肌肉和肌腱
• 2.1.4 足部的血管和神经
• 2.2 足部生物力学
• 2.2.1 运动生物力学的概念与相关内容
• 2.2.2 距下关节和距下关节韧带的生物力学
• 2.2.3 跗骨间关节的生物力学
• 2.2.4 足弓的生物力学
• 第三章 PVDF压电传感器的设计
• 3.1 PVDF简介与优点
• 3.1.1 PVDF简介
• 3.1.2 PVDF压电薄膜的优点
• 3.2 压电传感器的等效电路和测量电路
• 3.2.1 压电传感器的实际等效电路
• 3.2.2 压电传感器的测量电路
• 3.3 PVDF压电薄膜静动态响应
• 3.3.1 PVDF压电膜静态响应
• 3.3.2 PVDF压电膜动态响应
• 3.4 PVDF压电传感器的误差
• 3.5 PVDF传感器设计与实验测试
• 3.5.1 传感器的制作
• 3.5.2 传感器阵列的布置
• 3.5.3 实验及其结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 信号调理与数据采集系统
• 4.1 系统硬件方案设计
• 4.2 信号调理电路设计
• 4.2.1 带滤波功能的放大电路
• 4.2.1.1 第一级前置放大电路
• 4.2.1.2 第二级放大电路
• 4.2.1.3 第三级放大电路
• 4.2.2 陷波器电路
• 4.2.3 供电电路
• 4.2.4 信号调理板
• 4.3 数据采集电路设计
• 4.3.1 数据采集卡
• 4.3.2 数据采集卡与计算机通信
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统调试与数据分析
• 5.1 系统调试
• 5.2 数据分析
• 5.2.1 准静态压力测试与分析
• 5.2.2 动态压力测试与分析
• 5.2.3 模糊分析
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间主要成果