传感器压力测量实验当深度学习搭上一双鞋，检测你的压力水平！准确率达84%

发布时间：2024-10-08 20:10:21

当深度学习搭上一双鞋，检测你的压力水平！准确率达84%

来源：大数据文摘

本文约1800字 ，建议阅读10分钟

通过一双鞋关注大家的精神健康状态。

作者：Caleb

不得不说，当代人的生活压力是越来越大了。

时不时就感到腰酸背痛、腿脚乏力，还疲于各种办公室政治，被下班了但又不敢完全下班的恐惧所支配…

这个时候你应该来试试小编代言的……（唉不对串台了）

言归正传，小编想说的是，压力大我们都知道，但是你有想过测量或量化一下你的压力值吗？

虽然现在到处都是“一张图测测你的压力值有多大”，但严谨的文摘菌表示，没有数据和测量方法的测量，这种可信度还是相当低的。

于是，小编就发现，新西兰奥克兰理工大学和德国吕贝克应用科学技术大学的研究团队开发出了一种压力检测装置StressFoot，在鞋子中塞入一个检测腿部运动的设备，再结合深度学习，就能从腿的运动中判断你的压力状态。

就算是乍一听也比一张图来得有道理吧，目前该研究已经以论文的形式进行了发表：

论文链接：

https://www.mdpi.com/1424-8220/20/10/2882

接下来就和小编一起来揭秘吧~

StressFoot：支持无线操作，满电可运行16小时

我们知道，压力往往和心率、脑电波、肌肉张力以及面部表情 等相关，传统测量方法也往往基于这些现象。

但这次，科学家们把目光放在了腿部运动和姿势特征 与压力的关系上。

既然要检测重点对象在腿部，那在鞋子里塞点东西不过分吧。

为了感应足部的压力分布，研究人员插入了一双压敏鞋垫，以及有16个依赖力敏电阻技术的压力传感器。同时，为驱动鞋垫，研究人员还开发了一种分压器电路 ，将鞋垫与Sparkfun Razor板连接起来，该板由Atmel制造的SAMD21微处理器组成。

不仅如此，研究人员查询了9 DOF IMU (MPU-9250) 的加速度计，将其与微控制器板一起被绑定在脚踝上，以更好的跟踪腿部和脚步的运动和角度。

据了解，该原型有一个3.7V、400mAh锂聚合物电池和一张SD卡，可以在不限制动作的情况下完全实现无线操作。

该原型机充满电后可持续使用约16小时 。

在实验中，参与者被要求穿上该原型机，完成一系列的益智游戏或测试，包括低压力项目 如观看扫雷视频和自然风景视频，以及高压力项目 如Stroop测试和扫雷。

研究人员随即根据在过程中采集到的基于鞋底的压力分布和脚的角度和运动的数据，使用机器学习模型针对不同的特征进行了分析，包括足压（Foot Pressure）、压力中心（Centre of Pressure）、腿脚姿势（Foot/Leg Posture）以及顿足情况（Foot Tapping）。

用一双鞋来检测压力情况，真的可行吗？

根据用户的主观反馈，在Stroop测试和扫雷游戏中，他们感受到的压力值最大，分别达到了5.06和6.05，同时在这两个项目中他们感到最活跃，活跃程度分别为5.38和5.85，与其相对的愉悦程度只有4.5和4.95。

但有趣的是，尽管两个观看视频的项目的压力值分别只有2和1.39，但在愉悦程度上并没有比高压力项目多很多，只有4.47和6.43。

在StressFoot接收到的数据与主观反馈呈现一致。可以看到，在两个压力相对较大的任务中，参与者的压力值出现了明显的增加，这也与另外压力更小的项目呈现的结果相反。

实验中，每个模型的训练和验证都采用了留一用户（leave-oneUser-out）的方法。也就是说，研究人员建立了一个针对用户的模型，这个模型是由其他用户训练的，但不包括测试用户。

在整体实验的准确率上，根据统计，使用所有特征创建的模型提供了一个合理的准确性，即为83.9%，但标准偏差达到了12.01，高于其他任何模型。最高的准确率可达到85.32%，同时标准偏差为8.1，这是综合了四个表现好的模型的组合得到的结果。

而根据后续的问卷调查结果显示，高压力项目和低压力项目的压力值分别为5.36和1.72，差距较大，这一结果也与项目期间的活跃程度直接呈正相关，分别为5.18和3.45，与愉悦程度呈负相关，分别为4.18和6.36。

这一结果与采集到的EDA反应的生理数据一致。

考虑到大多数参与者的工作都是坐在办公室进行的，比如编码、调试和写论文等，根据参与者自述，这个时候他们的压力水平较高，愉悦程度较低。此外，当他们处于紧张状态时，与处于放松状态相比，任务负荷明显增加（t = 7.02；p < 0.05）。这也与检测到的两种压力状态相吻合。

根据现场的验证分析，10名参与者中有8名的自述压力水平和检测到的压力情况显示出明显的正相关关系。

研究人员表示，他们是想通过设计一款使用压敏鞋垫和IMU来感知和检测压力的智能鞋，关注大家的精神压力状态。

或许未来有一天，这个系统将会为整体的心理健康改善起到很好的促进作用呢。

如何用压力传感器测量压力

如何用压力传感器测量压力

概要

学习如何用压力传感器测量压力。了解可用的传感器类型和适当的硬件，以准确地测量压力测量。

什么是压力?

压力传感器

压力测量

用于测量压力的信号调节

1. 什么是压力 ?

压力被定义为一种流体对其周围环境所施加的力。例如,压力P是力对面积区域A的函数

P = F/A

一个装满气体的容器里含有无数的原子和分子，这些原子和分子不断地在其墙上碰撞。压强是容器壁上的这些原子和分子碰撞的平均力。此外，压力并不一定要沿容器壁测量，也是可以以每一个平面上的单位面积来测量。举个例子，气压就是空气压在地球上的重量的函数。因此，当海拔增加时，压力就会减小。同样地，当潜水员或潜艇潜入海洋深处时，压力也会增加。

压力国际单位制是帕斯卡(N / m2),但其他常见的单位压力包括磅每平方英寸(PSI),大气(atm)、bar、英寸的水银(in Hg),毫米汞(mm Hg)。

压力测量可以被描述为静态的或动态的。在没有运动的情况下，压力被称为静态压力。静态压力的例子包括气球内部空气的压力或盆地内水的压力。通常情况下，流体的运动会改变对周围环境的作用力。这种压力测量被称为动态压力测量。例如，气球或水盆底部的压力会随着空气从气球中释放出来，或者从盆里流出来而变化。

头压(或压力头)测量液体在容器或管道中的静压力。头压，P，是液体的高度，h，和重量密度，w,的一个函数,如下面的图1所示的液体中。

图 1. 头压测量

潜水者在海洋中游泳的压力将是潜水者的深度乘以海洋的重量(每立方英尺64磅)。一名潜水员在33英尺深的海水中潜水，每平方英尺就会有2112磅的水。这就变成了14.7 PSI。有趣的是，海平面的大气压力也是14.7 PSI或1atm。因此，33英尺的水产生的压力和5英里的空气一样多！戴水肺的潜水员深海33英尺将承受水的重量压力和空气压力合并后的总压强,那将是29.4 PSI或2 atm。

压力测量可以通过执行的测量类型来进一步表示。有三种类型的压力测量:绝压、表压和差压。绝对压力测量是相对于真空测量(图2)。通常,缩写PAA(帕斯卡绝压)或PSIA(磅每平方英寸绝压)是用来描述绝对压力。

图 2. 绝对压力传感器

表压测量是相对于环境大气压力(图3)。类似于绝对压力,缩写PAG(帕斯卡表压)或PSIG(磅每平方英寸表压)是用来描述表压。

图 3. 表压力传感器

差压和表压相似,但是相对于环境大气压力测量,差压测量是对一个特定的参考压力(图4)。同时,缩写PAD(帕斯卡差压)或PSID(磅每平方英寸差压)是用来描述压差。

图 4. 差压传感器

2. 压力传感器

由于各种各样的条件、范围和材料的压力必须被测量，则有许多不同类型的压力传感器设计。通常，压力可以转化成某种中间形式，例如位移。然后，传感器将这种位移转换成电压或电流这样的电流输出。这种形式的三种最普遍的压力传感器是应变计、可变电容和压电。

所有的压力传感器,惠斯通电桥(基于应变)传感器是最常见的,为不同精度、尺寸、强度、和成本约束提供解决方案。桥式传感器用于高低压应用场合，可以测量绝压、表压或差压。所有的桥式传感器都使用应变仪和隔膜(图4)。

图 4. 典型应变仪压力传感器的横截面

当压力的变化导致隔膜偏移,相应的电阻变化量是诱导应变仪, 数据采集系统可以采集相关数据 (DAQ)。这些应变压力传感器有几种不同的品种: 粘结应变计,溅射应变计和半导体应变计。

在粘结应变计压力传感器中，金属箔应变仪实际上是粘在测量压力区域表面上的。这些粘结金属箔应变仪(BFSG)是多年来一直不断使用的行业标准,因为它们有1000 Hz快速对压力变化的响应时间以及大范围的工作温度。

溅射应变计的制造商将一层玻璃喷到隔膜上，然后将一个薄的金属薄膜应变计放在传感器的隔膜上。在压力计元素、绝缘层和传感隔膜之间形成一个分子键。这些仪表最适用于长期使用和苛刻的测量条件。

集成电路制造商已经开发出了复合压力传感器，这种传感器特别容易使用。这些设备通常采用半导体隔膜，在这种隔膜上生长了半导体应变仪和温度补偿传感器。在集成电路形式中包含适当的信号调节，提供直流电压或电流与一定范围内的压力成线性比例。

如果两个金属板之间的距离发生变化，两个金属板之间的电容会发生变化。可变电容压力传感器(图5)，测量金属隔膜和固定金属板之间电容的变化。这些压力传感器通常是非常稳定和线性的，但对高温很敏感，而且比大多数压力传感器更复杂。

图 5. 电容压力传感器

压电式压力传感器(图6)利用了石英等无源晶体的电特性。这些晶体在振荡的时候产生电荷。压电式压力传感器不需要外部激励源，而且非常坚固。然而，传感器需要电荷放大电路，非常容易受到震动和振动的影响.

图 6. 压电式压力传感器

压力测量应用中传感器故障的一个常见原因是动态影响，导致传感器过载。一个压力传感器超载的典型例子就是水锤现象。当一个快速流动的流体被阀门的关闭突然停止时，就会发生这种情况。流体的动量突然被制止，这导致了流体被限制的一分钟的拉伸。这种拉伸会产生一个压力峰值，从而损坏压力传感器。减少“水锤”的影响,传感器通常安装有传感器和压力线之间的缓冲器。通常是一个网孔过滤器或烧结材料，允许加压流体通过，但不允许大量流体通过，因此可以防止水锤的压力峰值。在某些应用中，保护传感器是一个很好的选择，但在许多测试中，峰值冲击压力是感兴趣的区域。在这种情况下，你需要选择一个不包含过度保护的压力传感器。

3. 压力测量

如上所述，压力传感器的自然输出是电压。大多数基于应变的压力传感器将输出一个小的mV电压。这个小信号需要几个信号条件注意，下一节将讨论这个问题。此外,许多压力传感器输出条件0-5V信号或4 – 20mA电流。这两种输出在传感器的工作范围内都是线性的。例如0 V和4mA对应0压力测量。类似地，5V电压和20mA对应于传感器所能测量的最大容量或最大压力。0-5V和4 – 20mA信号可以很容易地衡量国家仪器多功能数据采集硬件。

4. 用于测量压力的信号调节

与其他基于桥式的传感器一样，为了准确测量压力，有几个信号调节因素。重要的是要考虑以下几点:

桥完成

激励

远距离感应

放大

筛选

补偿

分路校准

每一项考虑都要在测量压力下进行彻底的处理。

一旦你获得了一个可测量的电压信号，这个信号就必须转换成实际的压力单位。压力传感器一般产生它们的线性响应范围操作,所以线性化通常是不必要的,但你会需要一些硬件或软件将传感器的输出的电压转换成压力测量。您将使用的转换公式取决于您使用的传感器的类型，并且将由传感器制造商提供。一个典型的转换公式将是激励电压、传感器的全尺寸容量和一个校准因子的函数。O

例如,一个压力传感器和10000 PSI的比例因子3 mV / V和给定一个10 V直流励磁电压产生15 mV的测量电压,测量压力将5000 PSI。

当你适当地调整你的信号后，就有必要获得一个适当的停顿位置。压力传感器(无论是绝压还是表压)都有一定的水平，被确定为其他位置或参考位置。在这个位置上，应变计应该产生0 V。抵消阻力调零电路添加或删除从一个点的应变仪来实现这一“平衡”的位置。补偿无效是确保您的压力测量的准确性的关键，并且最好的结果应该在硬件而不是软件中执行。

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