便携式人体皮肤摩擦性能测试仪的研制

　　皮肤是人体的最大器官,是人体直接和外界接触的器官,具有屏障、吸收、分泌、排泄、感觉及体温调节等功能.人体皮肤的状态涉及到心理、美学和功 能实现等方面.例如抚摸皮肤的感受包含了对皮肤弹性和摩擦性能的感受.手抓握其他物体的能力与手上皮肤与物体间的摩擦有密切关系.穿衣、穿袜、穿鞋的舒适 性及功能的体现也和上述界面的摩擦性能密切相关.食物在喉道的下咽过程也涉及到食物和喉道间的摩擦性能.组织学上,人体皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成, 其中表皮进一步分为角质层、透明层(掌、趾处明显)、粒层、棘层和基层.随皮肤受到的摩擦和力学作用的变化,在掌、趾等受力和摩擦大的部位,角质层就厚而 硬,在躯体的屈侧部位,则较薄且柔软[1].人体皮肤是生物摩擦学的研究对象之一,相关研究内容包括人体皮肤摩擦学特性,人体皮肤与日用器具间的摩擦,毛 皮的生物组织结构与表面粘附和摩擦学行为的关系等[2].前期研究表明,皮肤摩擦行为与性别、个性差异、人体部位、化妆品使用和皮肤病理状态等密切相关.

　　实验方法及设备是研究皮肤摩擦性能的关键.近来用于测试皮肤摩擦的仪器主要有:Asserin等开发的用于测量人体前臂皮肤与接触材料间摩擦性 能的往复直线式皮肤摩擦试验装置[3]; Zhang等改进后的旋转式皮肤摩擦计[4];国内西南交通大学研制的新型皮肤摩擦性能测试装置[5]以及具有较高精度的美国CETR公司的UMT摩擦磨 损试验机.另外,Derler[6]和Ramalho[7]利用将接触材料直接贴于三维传感器的方法测试皮肤摩擦性能,试验时,由受试者本人提供皮肤与接 触材料的往复运动.这些设备和仪器在特定条件和特定部位测试皮肤摩擦性能取得了较好的效果,但对于如脸颊、额头、躯体等不规则形状部位或者难于放置到前述 测试仪上的部位的测试,目前还没有适用的设备.本文针对当前皮肤性能测试的需求,设计了1种便携式人体皮肤摩擦性能测试方法并开发了相应的手持设备 [8],该设备可以测试人及动物各个部位活体皮肤和离体皮肤的摩擦性能测试,操作简单方便,满足了绝大多数测试场合,为相关领域的研究提供了1种新的测试 手段.

　　1　实验部分

　　1.1　便携式人体皮肤摩擦性能测试设备

　　如图1所示便携式人体皮肤摩擦性能测试设备示意图,主要由二维力传感器[9]及保护装置、传感器信号调理、数据采集和传输系统、摩擦测试头、导 向轮和测试标识膜组成.该二维力传感器量程为0~5 N,分辨率为2 mN,固有频率为1 397 Hz,非线性度达0. 02% F·S.二维力传感器及保护装置和数据采集系统封装于壳体中,保护装置保证力传感器在其线性变化范围内的变形而不至于超出量程而损坏.测试头为一半球形, 材料根据需要调整,通过一连杆固定在力传感器上,测试头可根据不同的测试情况和需要更换;导向轮固定在壳体上,保持试验过程中运动的平稳.使用时,设备通 过USB电缆与计算机相连,由上位机软件操作数据采集的开始、停止、数据的处理、存储及图线的实时显示.该设备中选用的ADC为低功耗、无误码、高线性 度、高精度的16位数据采集芯片AD7705.摩擦系数测试中信号属于低频信号,设备中的数据采样速率控制在300~500 Hz之间,远远满足了摩擦系数测试的需求.