專利名稱：一維沖擊強度測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種一維沖擊強度測試裝置，尤其涉及一種測量垂直沖擊物對地面材料造成的沖擊強度的測試裝置。
背景技術(shù)：
每年有成千上萬的人在運動場地上受傷，許多研究表明，60％-70％的運動場地受傷是由于跌落在運動器材下面的地面或中間平臺。這些傷害中又有50％是腦部傷害。
事實上，現(xiàn)有很多材料能保護人腦在運動或游玩時免受傷害，但是在使用材料時必須先測試這些材料是否能夠提供足夠的緩沖以達到安全要求。因此，國外對運動場地安全性能的檢測制定了一些標準，如美國ASTM F 1292、和歐洲的BSEN1177等等。這些標準給出了腦部受沖擊減速度的計算方法，在測試地面材料特性時設(shè)備允許跌落到地面的高度條件下，確定了判定頭部受沖擊傷害評判HIC的公式及最大允許值，及確定了判定頭部受沖擊的最大加速度g-max值。同時為了達到足夠的測量精度，美國的ASTM F 1292-99標準規(guī)定了測試裝置的濾波轉(zhuǎn)折頻率和加速度數(shù)據(jù)采樣速率。
目前對運動場地安全性能的檢測發(fā)明了一些專利，也開發(fā)了為數(shù)不多的產(chǎn)品，如美國專利US4856318(Surface Resiliency Tester)，測試功能簡單，只能測試加速度峰值；美國專利US5490411(Testing Device for Surfaces Subject toImpact)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要是利用一只壓電三向加速度傳感器測量加速度并由微處理器采樣和保存，同時計算頭部傷害評判(HIC)值。該專利測試功能基本符合ASTM F 1292-99標準，但是裝置的采樣速率和濾波轉(zhuǎn)折頻率低于ASTMF 1292-99標準規(guī)定的下限，影響其測量精度，并且沒有可以計算每次撞擊的下落高度的部件。該裝置采用三向傳感器能夠測量沖擊時三個方向的加速度，雖然它較好的模擬了實際撞擊的情況，但是撞擊時主要考慮的是垂直方向的加速度，測量三維加速度也使裝置成本大大提高了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種一維沖擊強度測試裝置，它能夠精確采樣并保存模擬頭沖擊水平材料時垂直方向的加速度，計算對應(yīng)此次沖擊的模擬頭下落高度，并計算加速度峰值和頭部傷害評判(HIC)值。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種一維沖擊強度測試裝置，用于測試一模擬頭垂直下落對地面的沖擊強度，它包括模擬頭下落架、設(shè)于模擬頭上的加速度傳感器、以及測試主機；其中模擬頭下落架包括可供模擬頭垂直下落的導(dǎo)軌，還包括設(shè)于導(dǎo)軌下部的光控開關(guān)；模擬頭與光控開關(guān)對應(yīng)的一側(cè)設(shè)有一可遮光隔板；測試主機包括信號放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器、計時器、非易失性存儲器以及傳感器電源；其中信號放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次連接在加速度傳感器和微處理器之間，用以對微處理器提供加速度數(shù)字信號；計時器與微處理器連接，用于測量模擬頭撞擊地面前所述隔板經(jīng)過光控開關(guān)所用的時間；微處理器檢測光控開關(guān)的輸入信號，并控制計時器的計時，以及控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣加速度數(shù)據(jù)；微處理器還計算模擬頭下落高度、加速度峰值和頭部傷害評判值并保存；非易失性存儲器與微處理器連接用以保存數(shù)據(jù)；傳感器電源與加速度傳感器連接以對其供電。
上述計時過程如下，隔板頂端進入并遮擋光控開關(guān)時，光控開關(guān)發(fā)出一第一中斷信號給微處理器，微處理器響應(yīng)該第一中斷信號使計時器開始計時；隔板尾端離開光控開關(guān)時，光控開關(guān)發(fā)出一第二中斷信號給微處理器，微處理器響應(yīng)該第二中斷信號使計時器停止計時，與此同時微處理器啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始采樣一預(yù)定時間后自動停止采樣。
上述微處理器還在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換開始至所述模擬頭開始撞擊地面期間計算模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平均值并以此作為傳感器失調(diào)電壓，以便在以后的加速度數(shù)據(jù)中減去這一失調(diào)電壓。
上述測試主機還包括一校準放大器和一個雙路選擇開關(guān)；雙路選擇開關(guān)串接在信號放大器和濾波器之間，校準放大器串接在雙路選擇開關(guān)的兩個開關(guān)接點之間；雙路選擇開關(guān)接收一控制信號以使信號放大器、濾波器串聯(lián)直接導(dǎo)通或?qū)⑿史糯笃鞔釉谛盘柗糯笃骱蜑V波器之間導(dǎo)通。
上述測試主機還包括與微處理器連接的時鐘芯片以實現(xiàn)實時計時。
上述一維沖擊強度測試裝置還包括與微處理器連接鍵盤和顯示器以實現(xiàn)必要的輸入控制和數(shù)據(jù)顯示。
本發(fā)明一維沖擊強度測試裝置由于具有較高的采樣速率和濾波器轉(zhuǎn)折頻率，能夠精確測量加速度數(shù)據(jù)和計算頭部傷害評判值，并精確計算對應(yīng)每次沖擊的高度。該裝置僅采用一維加速度傳感器，大大降低了裝置成本；裝置可儲存大量測試數(shù)據(jù)并可簡便地與PC通信。


以下結(jié)合

本發(fā)明具體實施方式
，其中圖1是美國專利US5490411的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明一維沖擊強度測試裝置具體實施例的模擬頭下落架結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明一維沖擊強度測試裝置具體實施例的測試主機結(jié)構(gòu)框圖；圖4是圖3所示實施例的測量程序流程框圖；圖5是圖4所示實施例的高度計算示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明具體實施例的一維沖擊強度測試裝置包括模擬頭下落架10和測試主機20。請先參閱圖2，本發(fā)明一維沖擊強度測試裝置具體實施例的模擬頭下落架10用于使一模擬頭11沿著它垂直下落并沖擊地面的測試材料12。模擬頭11可根據(jù)不同國家和標準制作不同的尺寸，其上設(shè)有一靈敏度高、頻響寬、體積小、重量輕的壓阻式加速度傳感器13，量程高達500g。模擬頭下落架10包括導(dǎo)軌14。導(dǎo)軌14用于讓模擬頭11沿著它垂直于地面下落，為保證加速度測量精度，應(yīng)當確保導(dǎo)軌14垂直于地面，這可通過簡易的垂直校準裝置實現(xiàn)。導(dǎo)軌14下部設(shè)有一光控開關(guān)15，相應(yīng)地，模擬頭11與光控開關(guān)15的對應(yīng)處設(shè)有一可遮光的預(yù)設(shè)長度的隔板16。當模擬頭11下落經(jīng)過光控開關(guān)15時，隔板16可使光控開關(guān)15先后輸出兩次電信號跳變，以此作為第一中斷信號1和第二中斷信號2。其中第一中斷信號1是開始計時信號，第二中斷信號2是停止計時并開始數(shù)據(jù)采樣信號。顯然，光控開關(guān)15離地面的高度應(yīng)當比模擬頭11的垂直長度稍大，以便在模擬頭11撞擊前就得到第二中斷信號2。
請參閱圖3，測試主機20包括信號放大器21、濾波器22、微處理單元23、非易失性存儲器27以及供給加速度傳感器13的傳感器電源24。其中信號放大器21和濾波器22依次連接在加速度傳感器13和微處理單元23之間，用于將加速度傳感器13測量的信號放大并濾波后傳輸給微處理單元23采樣。為保證測量精度，濾波器22應(yīng)當具有較高的轉(zhuǎn)折頻率，本實施例采用四極點有源低通濾波器，其轉(zhuǎn)折頻率為1650Hz，符合美國ASTM F 1292-99標準。
微處理單元23包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器231、計時器232和微處理器233。在一個實施例中，微處理單元23可以是集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器231和計時器232的單片機或其他處理芯片，在另一個實施例中，微處理單元23可由單片機或其他處理芯片(其內(nèi)部一般有計時器)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接構(gòu)成，這不應(yīng)作為本發(fā)明的限制。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器231與濾波器22的輸出端連接，以一定的采樣速率將加速度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本實施例的采樣速率為20,000Sa/s，符合美國ASTMF 1292-99標準。為了減少導(dǎo)軌14對模擬頭11的摩擦引進的誤差，計時器232記錄隔板16通過光控開關(guān)15的時間，由于隔板16的長度已知，由此可計算出模擬頭在一個重力加速度下(不受導(dǎo)軌摩擦)的等效下落高度(該高度小于模擬頭的實際下落高度)，高度計算將在以下說明。
微處理單元23響應(yīng)第一中斷信號1使計時器232開始計時，之后響應(yīng)第二中斷信號2使計時器232停止計時，同時啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器231開始采樣加速度數(shù)據(jù)；微處理單元23根據(jù)計時器232的計時數(shù)值和隔板16的長度計算模擬頭11的下落高度并保存；微處理單元23根據(jù)加速度數(shù)據(jù)計算HIC(頭部傷害評判值)并保存加速度數(shù)據(jù)和HIC。非易失性存儲器27與微處理單元23連接用以保存上述這些數(shù)據(jù)。
由于加速度傳感器受到環(huán)境的影響可能會存在測量誤差，因此每次測試之前應(yīng)作一次校準。測試主機20還包括一校準放大器28和一雙路選擇開關(guān)29，雙路選擇開關(guān)29串接在信號放大器21和濾波器22之間，校準放大器28串接在雙路選擇開關(guān)29的兩個開關(guān)接點之間；雙路選擇開關(guān)29接收一控制信號以使21信號放大器、濾波器22串聯(lián)直接經(jīng)由導(dǎo)線31導(dǎo)通或?qū)⑿史糯笃?8串接在信號放大器21和濾波器22之間導(dǎo)通。雙路選擇開關(guān)29可以由模擬開關(guān)或繼電器構(gòu)成。校準時只要給出控制信號3即可實現(xiàn)校準。
測試主機20還包括與微處理單元23連接的顯示器32和鍵盤33以實現(xiàn)輸入操作和數(shù)據(jù)顯示。鍵盤33上可設(shè)有一校準按鍵以操作上述校準。微處理單元23還包括RS232接口234以和其他設(shè)備通信，RS232接口234可經(jīng)由一RS232到USB轉(zhuǎn)接口實現(xiàn)本發(fā)明的測試主機20與PC連接。PC可經(jīng)由該RS232接口234與微處理單元23通信，以讀取非易失性存儲器27中的數(shù)據(jù)測試主機20還包括一時鐘芯片34，以便為微處理單元23提供實時時間，微處理單元23據(jù)此記錄每次測試的時間并與測試數(shù)據(jù)一起保存。
以下結(jié)合圖4說明本發(fā)明一維沖擊強度測試裝置的工作流程測試主機20經(jīng)過測量初始化步驟S1后，模擬頭11沿導(dǎo)軌14下落快接觸到地面，期間模擬頭11的隔板16就會穿過安裝在導(dǎo)軌14下部的光控開關(guān)15。當隔板16頂端進入光控開光15時，就會產(chǎn)生一個低電平信號，該電平經(jīng)過一個比較器對該信號進行整形對單片機產(chǎn)生第一中斷信號1，此中斷使測試主機20進入計時步驟S2。在此步驟中，微處理單元啟動計時器232進行計時，當模擬頭11的隔板16尾端離開光控開關(guān)15時，就產(chǎn)生一個高電平信號，通過比較器對該信號的整形也會對單片機產(chǎn)生一第二中斷信號2，該中斷信號就會終止計時器232工作。從而單片機根據(jù)計時器232的值，在步驟S5中計算當前的模擬頭的等效下落高度。以下是計算方法設(shè)模擬頭11從離光控開關(guān)15高度Ht下落，由能量守恒得mgHt=12mv2]]>其中v是隔板16通過光控開關(guān)15時的平均速度。設(shè)計時器時間為t，則隔板16通過光控開關(guān)15時的平均速度為v=lt]]>其中l(wèi)是隔板16的長度。
模擬頭11下落到光控開關(guān)15的等效高度為
Ht=l22gt2]]>設(shè)光控開關(guān)離地面的高度是Hos，最終模擬頭11下落的等效高度是H＝Ht+HosH=l22gt2+Hos]]>模擬頭11上的隔板通過光控開關(guān)后產(chǎn)生的第二中斷信號2不但會終止計數(shù)器232的計數(shù)，同時還會啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器231的運行，測試主機20進入模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟S3，并且該模擬頭11經(jīng)過一很短的時間撞擊到地面材料12。當模擬頭11沖擊到地面時，材料12就會對模擬頭11產(chǎn)生反作用力，該反作用力就會傳到加速度傳感器13上，加速度傳感器13產(chǎn)生一系列隨時間變化的加速度。微處理器233采樣并保存這些加速度數(shù)據(jù)，并在采樣一定時間，例如50ms(撞擊過程一般為幾毫秒)后自動停止采樣。在以后的步驟S5中微處理單元計算最大加速度值和根據(jù)標準規(guī)定的頭部傷害評判(HIC)公式計算本次沖擊的頭部傷害評判值。該公式如下HIC=[(t2-t1){1t2-t1∫t1t2a.dt}2.5]max]]>其中t1是沖擊開始的時刻，t2是沖擊結(jié)束的時刻，a是沖擊過程中的加速度，它是隨時間變化的。
在測量過程中，由于環(huán)境溫度的變化，在加速度傳感器13的輸出就會產(chǎn)生不同的失調(diào)電壓輸出。本裝置能夠根據(jù)不同的電壓輸出進行自動消除，以避免由于溫度的變化要不斷的進行人為的輸出失調(diào)電壓調(diào)整。由于光控開關(guān)15離地面的距離比模擬頭垂直長度大，因此模擬頭11通過光控開關(guān)15后，要經(jīng)過很小的一段距離才會接觸到地面，與地面材料12發(fā)生碰撞，而此時模數(shù)轉(zhuǎn)換器231已經(jīng)開始工作，因此測試主機進入失調(diào)電壓計算步驟S4，利用此段時間記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)取平均值作為本次測試的傳感器失調(diào)電壓輸出，此時模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采樣仍在繼續(xù)。在計算頭部傷害評判值(HIC)時將采樣的加速度數(shù)據(jù)減去失調(diào)電壓以消除失調(diào)電壓的影響。
權(quán)利要求
1.一種一維沖擊強度測試裝置，用于測試一模擬頭垂直下落對地面的沖擊強度，它包括模擬頭下落架、設(shè)于模擬頭上的加速度傳感器、以及測試主機；其特征在于所述模擬頭下落架包括可供模擬頭垂直下落的導(dǎo)軌，還包括設(shè)于導(dǎo)軌下部的光控開關(guān)；所述模擬頭頂部與所述光控開關(guān)對應(yīng)的一側(cè)設(shè)有一可遮光隔板；所述測試主機包括信號放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器、計時器、非易失性存儲器以及傳感器電源；其中所述信號放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次連接在所述加速度傳感器和所述微處理器之間，用以對微處理器提供加速度數(shù)字信號；所述計時器與所述微處理器連接，用于測量模擬頭撞擊地面前所述隔板經(jīng)過光控開關(guān)所用的時間；所述微處理器檢測所述光控開關(guān)的輸入信號，并控制所述計時器的計時，以及控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣加速度數(shù)據(jù)；微處理器還計算模擬頭下落高度、加速度峰值和頭部傷害評判值并保存；所述非易失性存儲器與所述微處理器連接，用以保存數(shù)據(jù)；所述傳感器電源與所述加速度傳感器連接，以對其供電。
2.如權(quán)利要求1所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述隔板的頂端進入并遮擋所述光控開關(guān)時，所述光控開關(guān)發(fā)出一第一中斷信號給所述微處理器；所述隔板的尾端離開所述光控開關(guān)時，所述光控開關(guān)發(fā)出一第二中斷信號給所述微處理器。
3.如權(quán)利要求2所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述微處理器響應(yīng)所述第一中斷信號使所述計時器開始計時，響應(yīng)所述第二中斷信號使所述計時器停止計時并啟動所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始采樣。
4.如權(quán)利要求1所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述濾波器是多極點低通濾波器。
5.如權(quán)利要求1所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述微處理器在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換開始至所述模擬頭開始撞擊地面期間計算模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平均值并以此作為傳感器失調(diào)電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述測試主機還包括一校準放大器和一個雙路選擇開關(guān)；所述雙路選擇開關(guān)接收一控制信號以使所述信號放大器、濾波器串聯(lián)直接導(dǎo)通或?qū)⑺鲂史糯笃鞔釉谛盘柗糯笃骱蜑V波器之間導(dǎo)通。
7.如權(quán)利要求6所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述測試主機的面板上還包括設(shè)有一與所述微處理器連接、并控制所述雙路選擇開關(guān)選擇上述導(dǎo)通狀態(tài)的校準按鍵。
8.如權(quán)利要求1所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，所述測試主機還包括一與所述微處理器連接的時鐘芯片。
9.如權(quán)利要求1所述的一維沖擊強度測試裝置，其特征在于，還包括一與所述微處理器連接的顯示器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種一維沖擊強度測試裝置，用于測試一模擬頭垂直下落對地面的沖擊強度，它包括模擬頭下落架、設(shè)于模擬頭下落架上的光控開關(guān)、設(shè)于模擬頭上的加速度傳感器和遮光隔板、以及測試主機。該遮光隔板經(jīng)過光控開時觸發(fā)光控開關(guān)產(chǎn)生兩次中斷信號，加速度傳感器測量模擬頭撞擊地面時的加速度并傳輸給測試主機。測試主機對采樣和保存加速度數(shù)據(jù)，并計算加速度峰值和頭部傷害評判(HIC)值，以及對兩次中斷信號的時差計時以計算模擬頭下落高度值，并將這些數(shù)據(jù)保存和顯示。本發(fā)明一維沖擊強度測試裝置具有較高的采樣速率和濾波器轉(zhuǎn)折頻率，能夠精確測量加速度數(shù)據(jù)和計算頭部傷害評判值，并精確計算對應(yīng)每次沖擊的高度。
文檔編號G01N3/48GK1936535SQ20051011119
公開日2007年3月28日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者何序新, 約翰·鄧洛普, 潘建, 張叔英, 顧從潤, 唐永平 申請人:上海浩順科技有限公司