一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法及装置

摘要

本发明公开了一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法及装置，测试方法包括以下步骤：将应变片阵列贴在PVC软垫的表面；将应变片阵列与静态应变仪通过导线连接；将PVC软垫铺在待测试的柔软坐垫上，且将所有静态应变仪调零；人坐于柔软坐垫上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；对应变片的应变进行基于有限差分法和超定线性方程组求解，得到柔软坐垫表面的下凹值。本发明准确地测量在人体作用下座椅或沙发表面下凹值，使得对软垫家具的坐垫进行不同弹性或合理的弧度曲面的设计；本发明同样适用于人靠在座椅、沙发靠背下凹值的测量，且为硬质的椅子、凳子进行合理的弧度设计提供依据，使其更能满足个人的舒适度需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移测量方法，属于测量技术领域，尤其涉及一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法及装置。

背景技术

在购买汽车时，座椅舒适度也越来越被看重；购买座椅、沙发等软垫家具，其舒适度更是购买者是否会购买的首要因素。制造商和设计者必须不断创新、提高舒适度才能在市场的激烈竞争中占有一席之地。

测量人坐在座椅、沙发上的表面下凹值，对座椅、沙发的设计有着非凡的意义，这样可以根据人体坐在某种材料上的表面下凹曲面，对软垫家具的坐垫和靠背进行分区设计，如对背部、臀部和腿部等不同的作用区域实行不同的弹性和刚度设计。另外，对硬质的椅子、凳子(如：塑料、木材、金属、石材等)进行合理的弧度设计，使其更能满足个人的舒适度需求。使用座椅、沙发的舒适度因人而异，鉴于3D打印技术的不断发展与成熟，座椅、沙发将可以通过3D打印而被快速制作出来，这些商品的私人订制会成为未来发展的趋势。

测量挠度技术主要有两类：一类是利用千分表、位移计直接测量，另一类是借助光学原理摄影技术，再通过图像处理得到挠度。测量坚硬物体(如钢结构、混凝土结构)的位移可以通过千分表、位移计测得，而柔软物体的位移测量会稍有困难。由于座椅、沙发的材料多为柔软坐垫，不但刚度较小，而且是要在人体的遮盖下，测量座椅、沙发的下凹值更为困难。若在座椅、沙发内部嵌入位移传感器装置，势必会破坏座椅、沙发的整体结构。目前，测量座椅、沙发等软垫家具在人体坐着的表面下凹值的设备和方法非常少。Custom8公司开发的一款测量柔软坐垫位移的感应垫Idoshape感应垫，Idoshape感应垫是运用柔性印刷电路板进行测量，并提供人体不同形式的睡眠系统和座位系统的信息，该项发明获得了2013年家具配料展览会奖：智能材料与设计。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法及装置，可以准确地测量在人体作用下座椅、沙发表面下凹值，使得准确地对软垫家具的坐垫进行不同弹性或合理的弧度曲面的设计。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法，包括以下步骤：

S1、将应变片阵列贴在PVC软垫的表面；

S2、将应变片阵列与静态应变仪通过导线连接；

S3、将PVC软垫铺在待测试的柔软坐垫上，且将所有静态应变仪调零；人坐于柔软坐垫上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；

S4、对应变片的应变进行基于有限差分法和超定线性方程组求解，得到柔软坐垫表面的下凹值。

进一步地，所述步骤S1具体为：将应变片沿x、y方向分别贴在位移感应垫同一个位置的上、下表面，应变片沿x、y方向均为等间距，并对应变片进行编号。

进一步地，所述步骤S4，具体步骤为：

1)首先计算感应垫表面的挠度曲面在xoz平面相平行的平面内的曲率

其中，ε_x是应变，α_x是沿x方向的截面转角，r_x是沿x方向的曲率半径，座椅或沙发的厚度为t；

根据应变ε_x，计算x方向曲率为：

同理可得，感应垫表面的挠度曲面在yoz平面相平行的平面内的曲率为

2)由板壳力学可知，在矩形板的情况下，得到挠度曲面在xoz平面以及与yoz平面相平行的平面内的曲率计算公式，它们分别为：

其中，w为下凹值；

3)根据Taylor定理，如果下凹值w是四次连续可微，那么：

这里x-Δx＜c₂＜x＜c₁＜x+Δx，把它们相加消去一阶导数项得到：

4)根据一般中值定理：设下凹值w是区间[a,b]上的连续函数，x₁,…x_n是[a,b]中的点，而且a₁,…a_n＞0，那么在a，b之间存在数c使得：

(a₁+…+a_n)w(c)＝a₁w(x₁)+…+a_nw(x_n)>

将式(6)和式(7)中的误差项结合起来，并且两边都除以Δx²得到二阶导数的三点中心差分公式：

其中，c_x∈[x-Δx,x+Δx]；

同理可得，y方向的三点中心差分公式为：

其中，c_y∈[y-Δy,y+Δy]；

5)联立式(2)-(5)和式(10)-(11)，并忽略高阶误差项，下凹值w与应变ε_x的关系为：

6)由于方程组(12)中方程的个数多于变量的个数，使用超定线性方程组方法求得方程组(12)的广义解，得到柔软坐垫表面的下凹值w。

本发明另一目的是提供一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置，包括位移感应垫和静态应变测试仪，所述位移感应垫包括PVC软垫和应变片阵列，所述应变片阵列应变片粘贴在PVC软垫表面，所述应变片阵列通过导线与静态应变测试仪连接，其中

所述PVC软垫作为测试垫；

所述应变片阵列作为测试用具，将测试的应变信号通过电线传递给静态应变测试仪；

所述静态应变测试仪用于读取应变片阵列反馈的数据。

进一步地，所述应变片阵列包括若干应变片，所述任意两应变片之间的距离为80mm。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明不仅对座椅、沙发等软垫家具的坐垫和靠背进行分区设计有非凡的意义，而且对硬质的椅子、凳子(如：塑料、木材、金属、石材等)进行合理的弧度设计，使其更能满足个人的舒适度需求；

(2)本发明具有较强的创新性以及重要的工业价值和应用前景，可以预期的是，人们的生活水平不断提高，对座椅、沙发等软垫家具的舒适性需求也日益提高，然而，使用座椅、沙发的舒适度因人而异，鉴于3D打印技术的不断发展与成熟，座椅、沙发将可以通过3D打印而被快速制作出来，这些商品的私人订制会成为未来发展的趋势；

(3)本发明在座椅、沙发的设计及其制造领域，将产生巨大的经济效益和商业价值。

附图说明

图1是本发明一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法的步骤流程图；

图2是本发明一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置的构造图；

图3是本发明一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置的应变片在位移感应垫表面上的贴法示意图；

图4是本发明一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置的位移感应垫发生纯弯曲时的应变；

图5是本发明一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置的实施例中应变片编号及虚构的计算点示意图；

图6是本发明一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置的实施例中测得的柔软坐垫表面下凹值。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种座椅或沙发表面下凹值的测试方法，具体测试步骤为：

1)下凹值应变片沿x、y方向分别贴在PVC软垫同一个位置的上、下表面，应变片沿x、y方向均为等间距，并对应变片进行编号；

2)下凹值使用直径很小，且电阻很小的接线将应变片与静态应变仪连接；

3)下凹值把PVC软垫铺在柔软坐垫上，将所有静态应变仪调零，人坐于其上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；

4)下凹值基于有限差分法和求解超定线性方程组理论，对应变片的应变进行求解，得到柔软坐垫表面的下凹值。

本发明的原理如下：

运用位移感测垫系统来测量座椅、沙发的下凹值需要作出以下假设：

a)感应垫始终保持紧贴座椅、沙发，即座椅、沙发上表面的下凹值(位移值)与感测垫的相等；

b)在人体的重力作用下，感应垫与座椅、沙发面内发生的相对位移很小，可以忽略不计；

c)感应垫及座椅、沙发在人体重力作用下，发生的下凹(位移)很小，直法线假设依然适用。

d)感应垫的弹性模量较大，在人体重力作用下，感应垫沿重力方向的变形可忽略不计；且剪切变形较小，即感应垫的上、下表面沿同一方向上应变的绝对值相等。

位移感应垫系统由两部分组成：应变片阵列和静态应变测试仪。应变片所反馈的应变信号通过电线传递给静态应变测试仪，并从静态应变测试仪读取数据。

用于测试的座椅、沙发长为a，宽为b，厚度为h，感应垫与座椅、沙发等长等宽，厚度为t。如图4所示，图中的中性面即应变为零的平面，由于感测垫发生纯弯曲变形，中性面即垂直厚度方向的中间平面；根据材料力学相关知识，感应垫表面的挠度曲面在xoz平面相平行的平面内的曲率的求解方式为

其中，α_x是沿x方向的截面转角，r_x是沿x方向的曲率半径。

由式(1)可知，x方向曲率为

同理可得，感应垫表面的挠度曲面在yoz平面相平行的平面内的曲率为

由板壳力学可知，在矩形板的情况下，可推得类似的挠度曲面在xoz平面以及与yoz平面相平行的平面内的曲率计算公式，它们分别是

所谓有限差分法就是用一组有限差分方程代替微分方程和相应边界条件的一种数值解法。它使难于求解的微分方程的边值问题转化成易于求解的代数方程组问题。因此，它具有重要的实际意义，应用十分广泛。

根据Taylor定理，如果下凹值w是四次连续可微，那么

这里x-Δx＜c₂＜x＜c₁＜x+Δx，把它们相加消去一阶导数项得到

根据一般中值定理：设w是区间[a,b]上的连续函数，x₁,…x_n是[a,b]中的点，而且a₁,…a_n＞0，那么在a，b之间存在数c使得

(a₁+…+a_n)w(c)＝a₁w(x₁)+…+a_nw(x_n)>

将式(6)和式(7)中的误差项结合起来，并且两边都除以Δx²得到二阶导数的三点中心差分公式

其中，c_x∈[x-Δx,x+Δx]。

同理可得，y方向的三点中心差分公式

其中，c_y∈[y-Δy,y+Δy]。

联立式(2)-(5)和式(10)-(11)，并忽略高阶误差项，下凹值与应变的关系为

如果方程组中方程个数多于变量的个数，称之为超定线性方程组。这种方程组一般无精确解，只能在各种规定的意义下求它的广义解。

如图2所示，本发明提供一种座椅或沙发表面下凹值的测试装置，包括位移感应垫和静态应变测试仪，位移感应垫2包括PVC软垫和应变片阵列，应变片阵列由一系列应变片1构成，位移感应垫2放在一柔性材料3上面；PVC软垫作为模拟座椅或沙发的软垫，人坐在其上；应变片阵列作为测试用具，将测试的应变信号通过电线传递给静态应变测试仪；静态应变测试仪读取应变片阵列反馈的数据，并显示实验数据。

实施例一

位移感应垫2采用一层透明软质PVC，这种材料具有很好的柔软性，位移感应垫放置于被测试的座椅或者沙发等一些柔性材料3上面，其能紧贴座椅、沙发发生变形，在其表面贴应变片1，应变片1的贴法如图3所示，测试其变形。应变片沿x、y方向分别贴在透明软质PVC同一个位置的上、下表面。应变片的阻值120.0±1.0Ω，其修正系数为2.04±1.0％，其大小为8.0mm*3.0mm。接线很细，直径仅为0.45mm。在人体作用下软性材料表面下凹值的具体测试步骤如下：

1)下凹值应变片沿x、y方向分别贴在透明软质PVC同一个位置的上、下表面，应变片沿x、y方向的间距分别为Δx＝80mm、Δy＝80mm，如图5所示(图中实心点为应变片，空心点是为有限差分法计算而虚构出来的点)，这里应变片沿x方向单面每行贴9片，沿y方向单面贴7片，共贴应变片9×7×2＝126片。

2)下凹值使用直径仅有0.45mm，且电阻很小的接线将应变片与静态应变仪DH3818-2(江苏东华测试技术股份有限公司)连接；

3)下凹值把测试垫铺在山棕材料制成的垫子上，将所有静态应变仪调零，身高1.65m、体重53.8kg的人坐于其上，开始记录数据，并保存；

4)下凹值基于有限差分法和求解超定线性方程组理论，使用Matlab进行简单编程，对实验数据进行处理，得到柔软坐垫表面的下凹值，如图6所示。

从图5可以看出，臀部的下凹值较大，大腿处的下凹值也清晰可见，且对称性非常好，而臀部周围往上凸起明显，大腿间的区域也稍微上凸。由此可见，这种方法可以很好地测量在人体作用下座椅、沙发表面下凹值，并合理地设计座椅、沙发。

由上述实施例说明，本发明通过其实施的具体步骤，能很好地测量在人体作用下座椅、沙发表面下凹值，这对软垫家具的坐垫和靠背进行分区设计，对硬质的椅子、凳子进行合理的弧度设计，使其更能满足个人的舒适度需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。