【跑步姿势训练鞋】No.004-传感器制作和数据初级处理

sipower 发表于 2021-6-13 00:34

上一篇介绍了数据采集和波形实时显示，这一篇介绍我自己设计的传感器制作过程和数据初级处理。

本作品采用四个压力传感器采集足底的压力，如下图所示。由于各种原因吧，我没找到合适的传感器元件，最后突发奇想，何不自己做一个呢！



图1，压力传感器位置

基本思路就是做个鞋垫，在纸壳上刷一层碳粉，作为基底公共电极，传感器的另外一极用铜箔裁成小块，贴到碳粉上，压力越大，铜箔和碳粉之间接触越紧密，电阻越小，反之电阻变大，从而实现压力传感器的功能。

下面介绍制作过程。首先是找刷好碳粉的硬纸壳，我用的是TI申请样片的包装盒，如下图，厂家为了防静电，包装内部有一层导电碳膜，大厂就是豪啊。



图2，带碳膜的纸壳

先把纸壳裁成脚的形状，我是比对着我的鞋垫裁剪的，比较方便我做实验。需要裁剪2片，带碳膜的贴公共电极，另外一片不带碳膜，用来贴铜箔电极。然后按照自己的脚找到4个受力点，在不带碳膜的那片对应位置贴铜箔，用双面胶将两片粘起来，焊出引线，传感器就做好了。过程如下图。



图3，传感器制作

接下来是传感器电路连接。我先设计了原理图，如下图，这四个传感器用四个可调电阻表示，和一个固定电阻串接，分压值可以被采集。对地各接了一个电容，减少工频干扰。



图4，传感器电路连接原理图

为了实现上述电路，我找了一块试验板，焊接电阻电容，将线引出焊接到排针上，插到实验板上，要对应电源、地、4个ADC输入口。焊接完每一步要用万用表测试一下，防止短路或断路。劳动成果如下图。



图5，连线完成的板子

硬件搞定后，上电测试，我直接使用上篇帖子弄完的程序，可以将实时波形显示到屏幕上。从下图可以看出来，4个通道均有波形，可能因为碳膜均匀度不好，各通道一致性稍差。



图6，传感器输出的原始波形

当踩在上面不动的时候，波形基线基本是稳定的，如下图，这样表现还可以，后面需要用数据处理来找规律。



图7，不动的波形

接下来对采集的数据尝试了多种简单处理方法，如平均值，累加，乘积等，每次都不太如意，有较多直流偏移量，如下图。我期望能通过积分波形面积方式找出每个波形的峰谷值，幅度变化量。



图8，各种尝试

最后想到直接加一个高通滤波应该没问题，这个规划中的算法对低频要求不高，直接滤掉避免干扰计算。加上高通后效果还可以，低频搞没了就显得高频信号有点乱，索性再加一个平均值滤波，去去高频分量，最终效果如下图。



图9，高通滤波

高通滤波器跟采样率相关度比较大，实际调试发现RSL10在ADC设计上比较简单了，采样率在低速时基本上没有整点数的，最后找了一个跟100Hz接近的凑合上了。如下图。具体算法是用1MHz除以图中圈起的数值，实际采样率为97.65625Hz，一点都不正好。



图10，采样率设置

至此，基本上跟传感器相关的基础设计就完成了，由于自造的原因，各个通道一致性不是很好，后面做算法还需要有针对性的进行数据调整。下一步数据分析，抽象分析算法，调试蓝牙接口。

Jacktang 发表于 2021-6-13 10:51

很赞

楼主的实现压力传感器的功能基本思路应该是很正确的

传感器的布点再优化一下

然后再把几个通道的碳膜均匀度优化一下，应该很完美

cruelfox 发表于 2021-6-13 10:58

自制传感器，哈，神来之笔！

dcexpert 发表于 2021-6-13 13:51

碳膜可能没有应变片效果好，但是成本低也不容易坏，创意的确很不错

w494143467 发表于 2021-6-13 17:58

不错不错！想法非常好！

Gen_X 发表于 2021-6-17 09:26

由于使用的是碳膜，所以有的点动态范围小，如果改用淘宝上的“压力”传感器就更好了，

也很便宜，几元一个。

能用到积分等处理方法，赞一个！精神可嘉！

7905 发表于 2021-6-17 10:47

正如楼上所说，用薄膜压阻传感器会方便多了，自制勇气可嘉，显然面临诸多问题，一致性只是其一，即便采用现成薄膜压阻也面临体重压力和反复外力折磨的后果；压电陶瓷发电片压一次输出电能时间可能是微秒级别，对ADC是考验。

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