高精度鞋类减震试验机的研制

韩健健 胡勇杰 高军

（1.广东产品质量监督检验研究院，广东广州 510670；2.东莞市恒宇仪器有限公司，广东东莞 523000）

我国是全球最大的产鞋国和鞋类出口国，减震系统是鞋类尤其是运动鞋中最重要的核心部分，运动时，人体会不停的承受很大重力，脚落地时，还会产生相当大的冲击力[1]。如果穿着的鞋没有良好的减震系统来缓冲这种冲击，人的双脚将会感到疲惫不堪，无法保持速度和耐力。更为严重的是，高频率和高强度的冲击，会对大脑造成震荡，对健康造成损害[2,3]。具备减震功能的鞋类可以防止运动伤害，尤其是防止胫骨痛、骨折及关节痛，减轻疲倦感，即相对的提高运动表现，迅速恢复体力，不易造成双脚酸痛。因此，减震性能是鞋类提高穿着舒适性，以及防止运动伤害非常重要的安全性能。

但是，目前市场上鞋类的减震性能质量参差不齐，究其原因，主要有以下三个方面：一是不少中小鞋企为了扩大销售业绩，将减震性能作为噱头吸引消费者的注意，生产的鞋类未经质量把关就投入市场；二是大型鞋企和研发机构受限于现有减震检测设备的功能，难以研发出符合减震性能要求的鞋类产品；三是检测机构缺少有效的检测设备对鞋类减震性能质量进行把关，导致监管缺位。归根结底，鞋类减震性能长期处于不理想状态，还是由于缺少有效的减震试验机对质量进行把关。

鉴于此，研制检测结果精准、重现性更高的满足各种鞋类实际检测需要的减震试验机的，是非常有必要的。

1 高精度鞋类减震试验机的研发思路

试验设备的精度，是其使用的核心要素。研究通过在高精度的力学作用点、高性能的数据采集系统等方面，进行技术突破，攻克当前减震试验机精度难以满足实际检测要求的难题。

2 研发过程及讨论

2.1 高精度的力学作用点确立

力学作用点的关键影响因素，为零点面的精准程度。相关标准规定，当冲击能量为5 J 时，其对应的冲击高度为（50±2.5）mm，因为冲击高度的精度，直接影响着冲击能量的精度，而位移零点位置的选取又会直接影响到冲击高度，从而导致冲击能量的变化，所以如何确定位移零点十分重要。

目前，市场上现有仪器对于位移零点的选取方式有两种，一种是冲锤压在试样表面清零，另一种是手动调整冲锤高度至接触试样表面再清零。第一种清零方式，由于冲锤压在试样表面会使试样产生凹陷，导致试样的位移零点值产生偏移，从而影响测试数据，并且这种影响，会随着试样硬度的不同而有显著差异，这也导致了采用传统固定高度方式，在测定不同材质样品时存在结果不准确的严重问题；第二种清零方式，因为是采用手动调整高度的方式，同时用肉眼观察冲锤接触至试样表面再清零，这种人为操作的方式因人而异，容易产生人为误差，且操作不便，容易造成视觉疲劳、效率低。

为了攻克现行两种清零方式存在的以上问题，研究重新定义了一种自动测量位移零点方式，即把冲锤刚接触到试样表面，并产生2 N 的接触力时所对应的位移值作为零点，然后每一次的冲击高度，都会根据上一次冲击产生2 N 接触力时的位移零点进行调整，这样便能精确控制每一次的冲击高度都相同，同时避免了试样经反复冲击后产生形变、凹陷导致零点面变化，而影响测试精度，以及人工操作的误差，使操作更加简便，提高测试效率。不同清零方式对试验数据的影响，如表1 所示。

从表1 可知，冲锤压在试样表面清零所测得的G 值，比手动调整清零和自动清零所测得的值要小，这也验证了之前的判断，因为冲锤压在试样表面会使试样产生凹陷（如图1 所示），此时清零则导致试样的位移零点值低于实际值，而仪器提升高度设定的是定值，零点面偏低就会导致提升高度偏小，降低了冲击高度，使得G 值偏小。

图1 冲锤压在试样表面示意图

手动调整高度清零所测得的数据波动大，是因为这种方式容易受到人为等外部因数的干扰而影响测试精度。结果表明，采用自动清零方式所测得的数据最为稳定，可靠性更高。

2.2 高性能的数据采集系统设计

减震试验机的直接作用是通过试验，输出样品减震性能的试验结果，因此，高性能的数据采集系统是试验机研制的关键技术点。

传感器是数据采集系统的起始点，传感器的好坏直接决定了数据采集质量。目前市场上现有设备，都是采用普通传感器测量位移值，其优点是价格实惠，但因这种方式传感器测量杆与冲锤装置直接相连，传感器内置的回位弹簧会有力作用在冲锤装置上，从而影响测试精度（其安装方式如图2 所示），为解决该问题，研究设计采用了一种非接触式光栅位移传感器（如图3 所示）。

图2 普通位移传感器安装方式

图3 光栅位移传感器安装方式

研究通过对DIN 标准橡胶试片进行测试，分析比较两种不同类型的位移传感器对测试结果的影响，结果如表2 所示。

从表2 可知，使用光栅位移传感器测得的能量回复率，比使用普通位移传感器测得的能量回复率高，这是因为光栅传感器的读数头，和光栅尺之间的安装方式是非接触式的，两者分别安装在仪器的固定端和运动端，其运动装置的质量是恒定不变的，避免了外力的干扰，但若用普通位移传感器，因其内部带有复位弹簧，随着压缩位移的不同其弹力也会相应改变，导致始终有一个变化的外力作用在冲锤装置部位，从而影响测试效果，因这个外力会阻碍冲锤的反弹性，所以采用普通位移传感器测得的能量回复率数据会偏低。由此可见，采用光栅位移传感器可有效克服这个弊端，提高测试数据的准确性。

表2 普通位移传感器和光栅位移传感器试验数据对比

不同于国内外现有的减震试验机，本研究设计的试验机，新定义了一种清零方式，因此，不同于国际上单一应用位移传感器，本研究采用位移和力学双重传感器，进行数据采集。位移和力学双重传感器的应用，使得每次的冲击高度为恒定值，并得到精确控制，有效避免了试样经反复冲击后产生形变、凹陷，导致零点面变化而影响测试精度及人工操作的误差，彻底消除试样压缩后零点面变化，导致的测试结果不精确、重现性差等问题。

从传感器产生的压电电荷信号，是非常微弱的，需要经过放大电路的进一步放大处理，才能给后续的采集芯片采集解析。从传感器传出来的原始数据，如图4 所示。从图4 可以看出，虽然原始数据信号波形轮廓清晰，但是波形中参杂的各种噪声和干扰也是非常的强烈。该波形如果直接放大给到AD 模数芯片采集，将会使得采集出来的数据，充满各种杂波干扰，甚至导致数据严重失真。

图4 原始数据波形图

为了确保后续解析数据的准确性，研究通过滤波调理电路的开发应用，对干扰到信号的杂波进行处理，结果如图5所示。

图5 初次调理数据波形图

由图5可知，经过调理电路调制后，波形明显变得干净许多，即开发的滤波调理电路，可有效降低杂波干扰对信号波的影响，显著提高信号输出质量。经过初次的调理电路调制，未放大前波形良好，但是在此基础上再进行信号放大后，波形稍微有一些杂波，研究精益求精，在此基础上对波形再次进行二次调理调制，结果如图6 所示。

图6 二次调理数据波形图

由图6 可知，经过双重滤波调理电路的设计开发及应用，采集到的信号波形明显得到优化。因此，在放大电路前后设计两级信号调制，对信号解析前的预处理，至关重要。研究采用的采集卡放大电路，包含了信号调理电路—信号放大电路—信号调理电路。

AD 模数转换是整个采集卡的硬件核心，高分辨率的采集能力，对于细节的解析更精细。而对于瞬间的冲击数据，高频的采集能力，至关重要。因为冲击中的峰值，都是瞬间出现，采集的频率越高，越是容易采集到真正的峰值。采集的频率低，则会遗漏实际峰值，最终导致由此计算的结果出现较大偏差。研究采用超高速的DSP 核心芯片的采集卡，使采集的数据，首先在硬件的层面就有了高精度（24 bit），超高速（5 MHz）的保障。AD 模数转换之后，得到的数据，会直接进入CPU，通过USB 高速接口，直连电脑。

基于以上硬件配置，研究采集回来的数据，就跟物理上的实际值比较接近。但是，在实际产业化生产中，受限于电源精度、稳定性，以及标准采样电阻的细微偏差等，使得最终采集到的信号，以及经AD 转换出来的数据，跟实际的物理量之间存在一定的偏差，研究开发出专用软件和算法，来确保测试数据的准确性。

采用研发设计的专用软件和算法，通过采集到的AD 值（例如AD1），对应当时实际物理量值（例如标准值1），研究建立了“采集值—实际值”之间的对应关系。通过建立8 组对应关系，使得系统自动在采集的数值，与实际的物理值之间建立运算关系，即运算系数与偏移（一次函数模型）。

上述8 组对应关系，在实际应用中，随着系统要求的不同，可以任意增加或减少匹配的组数。组数越多，标定越是精细，就越是跟实际物理值趋近。从而最终会得出高精度、高可靠的数据表达。

试验速度和采样速度也直接决定了设备的精度，研发的试验机试验速度采用闭环系统控制，精度优于（2±0.05）秒/次。设计采用40000 Hz 的高速采集系统，使得位移峰值、力量峰值的采集，更真实的反应物理的真实峰值。

3 结论

研究通过高精度的力学作用点确立，彻底消除试样压缩后零点面变化，导致的测试结果不精确、重现性差等问题，减少人为误差，并显著提高了检测效率；通过高性能的数据采集系统设计，全面实现研发的减震试验机高精度的技术特性。