第31卷第9期
2010年9月
纺织 学 报
Journal of Textile Researeh
Vo1．31．No．9
Sep．，2010
文章编号：0253-9721(2010)09一O114-04
足底压力分布测量鞋垫的研制
金 曼 一，丁 辛 一，甘以明 ，杨旭东 ，周 宏
(1．东华大学纺织而料技术教育部重点实验窒，上海201620；2．东华大学纺织学院，上海201620；
3．中国人民解放军总后勤部军需装备研究所，北京100088)
摘要研制了基于PVDF压电薄膜的智能压力测试鞋垫，以记录人体运动状态下的足底压力分布状况。针对柔
性传感器普遍存在的频率响应问题，采用多层感芯结构以提高薄膜传感器信号响应，并在压电薄膜和柔性鞋垫间
嵌入硬质膜片以改善柔性传感器的弹性滞后性。智能压力鞋垫具备良好的可穿戴性，且在高频运动条件下具备良
好的测试性能。测试实例表明，智能 力鞋垫性能可靠，可揭示不同运动状态下足底压力的分布状况，为人体步态
分析研究提供依据。
关键词PVDF压电薄膜；传感器；感芯结构；弹性滞后；足底压力分布
中图分类号：TS 941．3 文献标志码：A
A sensing insole for measuring plantar pressure distribution
JIN Man 一，DING Xin 一，GAN Yiming ，YANG Xudong ，ZHOU Hong
(1．Key Laboratory of Textile Science＆Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China；
2．College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201 620，China；
2．Quartermaster Research Institute of General Logistics Department of the CPLA，Belting 1 00088，China)
Abstract A smart insole for plantar pressure distribution measurement has been developed by using
PVDF sensors．To solve the common problem of slow~equency responses of flexible sensors，
improvements have been made by using a multi—layer chip structure of the PVDF sensor to increase the
signal—responses．and by inse~ing a hard plastic sheet between the sensor and the soft base mat of the
insole，to decrease elastic hysteresis．The wearable sensor—embedded insole has shown good dynamic
performances in measuring the plantar pressure distribution under high—speed body motion．Examples of
using the insole to show the plantar pressure distribution of volunteers have demonstrated that the insole is
of good working reliability and can be used as a useful testing device for human gait analysis．
Key words PVDF piezoelectric film；sensor；sensor chip structure；elastic hysteresis；plantar pressure
distribI1tion
步行是人体基本运动之一，任何步行动作都要
通过人体足部与地面的相互作用完成，通过对足底
力学分布特征分析可揭示人体步态规律u ，利用这
些信息可对生理疾病做出合理的预测和解释 。。
在对足底压力分布测量技术的研究中，压力测
试板的临床应用较广泛，可穿戴式压力鞋、压力鞋垫
更为先进，但未得到广泛应用 。前者测试稳定，
但测试空间有局限性且价格昂贵；后者结构简单便
于人体穿戴，测试结果更接近人体真实的运动状
态 ，但所使用的薄膜型传感材料大多输出信号微
弱，同时柔性传感元件具有纺织品的黏弹性特征，当
作用于传感器的载荷停止变化后，材料会在一段时
间内保持弹性蠕变。柔性传感元件在蠕变时间内再
次受压，将造成线性度变差，引起测量误差。。 ，因
此，提高信号响应，改善柔性传感器的滞后性，是可
穿戴压力测试技术的关键。
聚偏二氟乙烯(以下简称PVDF)薄膜属于高分
子压电材料，具有厚度薄，质量轻，柔性好，灵敏性高
收稿日期：2009—09～27 修回日期：2010—01—06
作者简介：金曼(1984一)，女，硕士生。主要研究方向为功能纺织品。丁辛，通讯作者，E—mail：xding@dhu．edu．ell。
第9期 金曼等：足底压力分布测量鞋垫的研制 ·l15·
等性能 ，能制成可穿戴的生理监测传感元件。本
文针对足底压力测试的要求，以PVDF薄膜为传感
材料，通过双层压电薄膜+硬质衬底+织物鞋垫的
结构设计，改善传感器元件的弹性滞后，提升系统对
动态信号的响应。通过志愿者穿戴压力测试鞋垫，
揭示了不同运动状态下的足底力学特点。
1 足底压力传感器的研制
人体正常步行频率一般在1．7～2．0 Hz之间，
高速运动频率不会超过5．0 Hz，因此，应确保测试系
统在1．7～5．0 Hz频率范围内获得清晰、稳定的响
应信号。为达到良好的可穿戴性能，要求测试材料
具有质量轻，厚度薄，质地柔软等特征。考虑到环境
噪声对测试信号的影响，要求测试系统能够在上述
频率范围内有较高的信噪比，可在穿戴测试中具有
稳定的工作性能。
1．1 PVDF压电薄膜传感器
所设计的传感器由PVDF压电薄膜和信号调理
电路构成，PVDF薄膜的频率响应为0．01～
5．0 kHz，满足测试人体运动的基本要求。压电薄膜
在力的作用下产生电荷，电荷量的大小与其极化方
向受力的大小成正比。所用压电薄膜的厚度为
50 m，传感单元为正方形，最大感应面积为
100 mm 。信号调理电路由基本的积分放大电路与
低通滤波电路构成 ，核心元件为OP07积分运算
放大器。压电薄膜输出的电荷信号由调理电路转换
为电压信号，经低通滤波后输入数据采集装置，完成
压力信号的采集和处理。
1．2 感芯结构的设计
传感器的感芯结构是影响信号质量的关键因
素，为保证良好的穿戴性能，感芯的尺寸应足够小，
且轻薄、柔软。但是，小尺寸的柔性结构存在信号响
应弱，信噪比低，对动态信号响应滞后等问题，这些
问题将影响测试的稳定性和准确性。
研究表明 ，人体行走时足底与支撑面的最小
接触面积约为200 mm 。另外，至少需采集5～7个
足底特征点的数据才能反映足底压力的分布 …，为
此设计了多层PVDF薄膜重叠的感芯结构，在不改
变传感单元表面积的情况下输出多倍于单层膜的电
荷量，保证传感器在较低压力下仍能获得显著的信
号响应。以双层感芯结构为例，图1示出给定压力
信号下单、双层感芯结构对信号的响应。在足底受
力范围内，多层感芯结构具有较理想的信号输出。
图1 单、双层结构感芯的信号输出
Fig．1 Signal output by single—and bi—layer structures
PVDF压电薄膜适宜与织物结合制成柔性传感
器，但嵌入柔性的织物环境会增大薄膜材料的弹性
滞后性，影响测试稳定性。频率响应的稳定性用信
号幅值的变异系数来表征，本文指在某一频率、相同
大小动态力作用下，不同周期的波幅变化量与波幅
均值之比。变异系数越大信号的稳定性越差，如果
变异系数值大于10％，则表明信号失真。分别对双
层PVDF压电薄膜及制成的压力鞋垫进行1．5～
5．0 Hz频率响应测试。测试的电压幅值变异系数变
化如图2所示。
幅
球
理
粤
图2 电压幅值变异系数曲线
Fig．2 Coefficient of variation of output vohage
分析表明，在人体步频范围内，PVDF压电薄膜
输出电压幅值变异在1．5％以下，说明其自身动态
响应的稳定性较好；而将其嵌入鞋垫后，其电压幅值
变异系数随频率的加快迅速上升，当压力作用频率
达到3．0 Hz时，变异系数超过10％，信号失真。由
此可见，构成鞋垫的织物衬底材料使传感器稳定性
下降。鞋垫通常选择纯棉、真皮、PU等弹性较好的
材料，这些柔软的材料可缓冲地面对足底的冲击力，
使人体感觉舒适，但其弹性模量低(0．3～
1 000 MPa)，在动态压力下的频率响应慢，而PVDF
压电薄膜弹性模量约为2 000 MPa，当鞋垫材料直接
作为PVDF压电薄膜的衬底材料时，会影响薄膜的
．1 16· 纺织学报 第31卷
弹性回复，使PVDF压电薄膜的弹性滞后随之增大，
导致薄膜在较高测试频率下前后2周期内产生的电
荷量不同，电压幅值变异增大，传感器频率响应稳定
性下降，信号失真。
本文设计在单个PVDF传感单元底面增加相对
高模量的硬质PVC衬底，构成双层PVDF薄膜+硬
质衬底的新型感芯结构。其中双层薄膜厚度为
100 m，PVC膜厚为0．3 mm，面积为100 IBm ，鞋垫
厚为3．0 mm。该结构中PVC材料弹性模量为
4 200 MPa，弹性滞后小，黏附于PVDF薄膜底面可
有效阻隔柔性鞋垫对薄膜的影响。同时硬质衬底与
独立传感单元黏合，不会对鞋垫整体柔软性造成影
响，人体穿着舒适。对改进后的压力鞋垫进行5 Hz
频率响应测试，与改进结构前(PVDF薄膜黏合于鞋
垫织物表面)压力鞋垫测试结果对比如图3所示。
t／s
注：一一一一改进前．——改进后。
图3感芯结构改进前后5 Hz频率响应信号对比
Fig．3 Signal comparison between old and new sensor
chip structures for 5 Hz signal input
2组测试在相同压力、频率下进行，比较图3中
不同周期电压峰值的波动情况可以看出：在5 Hz频
率下，改进前电压峰值波动较大，经分析计算此时电
压峰值变异系数>10％，信号失真；加入硬质衬底的
结构后，不同周期电压峰值呈现良好的一致性，频
率响应的稳定性较好，经计算电压峰值变异系数<
5％，测试结果可靠。对比2组波形可知，经过对感
芯结构的改进，频率响应稳定性提高。说明加入硬
质衬底的设计，有效阻隔了柔性鞋垫对PVDF薄膜
弹性回复的影响，改善了柔性传感器的弹性滞后性，
使传感器在相对高频(5 Hz)测试中输出稳定，应用
此结构制成压力鞋垫可适用于人体任意步频的
测试
2压力鞋垫的设计
压力鞋垫6个传感点的排列以人体足部力学分
布特征为依据，测试受力点作为支撑面与人体足底
紧贴。测试系统如图4所示，其中数据采集部分由
Agilent数据采集单元完成，最终通过计算机显示测
试波形。
3足底压力鞋垫应用实例
为检验压力鞋垫在不同步频测试中的效果，应
用压力鞋垫进行人体常速行走和匀速跑步测试。实
测波形分析可揭示不同运动状态下足底的力学特
点。被测者为健康女大学生，足部健康，体重为
55 kg，身高为160 cnl，穿着运动鞋分别进行不同频
率的匀速运动测试。测试结果如图5所示。
500
步行 4O0
一■一1 >300
一。一2 宴
— 3 —200
—。口～4
一'' 一5 1O0
一●～6
O
s
t／s
(a)／ 2Hz (b)．，≈3Hz
图5人体步行、跑步足底压力分布测试
Fig．5 Results of plantar pressure distribution tests
跑步
—-_1
--o．-2
—★-3
— 4
—f 5
—．_6
第9期 金曼等：足底压力分布测量鞋垫的研制
由图5可见，穿着测试的频率响应特征显著。
图中1～6点在足底的位置及意义如图4所示。在
同一步态周期内，足底不同点所采集的电压峰值不
同，其大小反应了足底压力分布的特征。在相对高
频的跑步测试中，不同步态周期内，同一采集点的电
压峰值基本保持一致。说明对传感点采用“双层
PVDF薄膜+硬质衬底”感芯结构的设计是可行的。
此外，由测试结果分析，人体常速步行时压力变化缓
慢，跑步时压力变化加快。正常人在运动状态时最
大的足底压力位于第二跖骨头或足跟处，足弓处承
压最小；随着步频的加快，足中处压力进一步减弱，
足弓快速弯曲一伸展，发挥推动作用，而第二跖骨头
处压力明显增大，足底压力峰值也随之升高，因此在
剧烈运动中应注意足底高压部位的保护，避免足部
损伤。
4 结 论
本文设计制作的智能鞋垫可对人体动态足底压
力分布进行测试。PVDF足底压力传感器因其材料
及使用环境的要求，对传感器自身稳定性及使用中
的准确性、抗噪声等性能要求较高。针对上述要求，
通过调整感芯结构的方式优化传感器的测试性能。
其一，在设计中采用双层薄膜感芯结构将传感器信
号强度提升至原来的2倍，保证压力鞋垫在较低压
力作用下仍能够输出显著的信号响应；其二，通过加
入硬质PVC衬底有效阻隔了动态频率响应差的鞋
垫材料对压电薄膜的影响，降低了弹性传感元件的
滞后性，保证压力鞋垫在人体高频运动条件下仍具
备良好的测试性能。所设计的动态压力鞋垫可记录
人体任意步频时的足底压力分布情况，具备良好的
可穿戴性，有助于使用者了解自身足部健康状况，保
持良好运动姿态。
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