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Tekscan 压力分布测量系统
摘要:介绍一种先进的压力分布测量系统,该系统使用独特的柔性薄膜网格压力传感器,能够对任何接触面之间的压力分布进行动态测量,并以直观、形象的二维、三维彩色图形显示压力分布的轮廓和数值,进而做出评估。对各种压力分布的测量和分析,在各行各业的研究和发展中都起着极其重要的作用。例如,汽车行业中,研究座椅的舒适性,需要测量人体对座椅的压力分布;为提高轮胎的性能,需要测量轮胎与地面的接触轮廓和压力分布;为确保车门的密封性,需要测量车门密封垫在关门时的受力分布;医疗领域中,牙科医生要诊断病人的牙齿咬合状况,需要测量病人上下牙齿间的咬合力大小和分布,等等。所以,压力分布的测量成为解决这些问题的首要条件。而解决这些问题的传统办法就是进行反复的实验,这样不但效率低,而且成本也比较高。
美国Tekscan 公司的压力分布测量系统就是基于上述情况而开发的,它是一种经济、高效、精确、快速、直观的压力分布测量工具。
1 系统结构与原理
Tekscan 压力分布测量系统的独特之处在于其专利技术———柔性薄膜网格传感器。传感器结构如图1
所示。
图1 传感器结构示意图
标准的Tekscan 压力传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成,其中一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导体,另一片薄膜的内表面铺设若干列的带状导体。导体本身的宽度以及行间距可以根据不同的测量需要而设计。导体外表涂有特殊的压敏半导体材料涂层。当两片薄膜合为一体时,大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵列。当外力作用到感应点上时,半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化,由此来反映感应点的压力值。即压力为零时,阻值最大,压力越大,阻值越小,从而可以反映出两接触面间的压力分布情况。
传感器内部导体的宽度、行距、列距决定了每单位面积内传感点的个数,即间隙分辨率。每个传感点面积可以小到1. 613 mm2 ,行列距可小到0. 5 mm。不同的传感器面积和间隙分辨率可满足各种不同的测量要求。例如,Tekscan 曾提供过面积为1 935 cm2 、传感点为100 000 个的传感器; Tekscan 开发的牙齿咬合力分析系统,传感器面积为25. 8 cm2 ,共有1 500 个传感点;用于座椅压力分布研究的传感器具有4 000 个以上的感应点,分辨率为1 个感应点/ cm2 。
传感器有不同的形状和规格,其压力测量范围为0～175 MPa ,精确度为±5 %。
如果测量面积很大,一个传感器不能覆盖时,可以使用多个传感器(最多12 个) 的组合,即虚拟系统结构
(VSA) 。VSA 软件能同时获得多个传感器的连续测量结果,形成一个虚拟传感器结构。
图2 医疗上测试牙咬合力的传感器
同时,Tekscan 提供一系列的数据采集接口,包括串口,并口及ISA 接口板等。
图3 为简单的传感器和电子电路原理示意图。通过扫描传感器的行列交叉点来测量每个传感点的电阻,并转换成相应的压力值,同时确定每个传感点的位置。最简单的测量系统的采样频率为每通道20 kHz。
图3 传感器电子电路示意图
2 系统在座椅舒适度测量中的应用
GM , Ford , Toyota , Honda , BMW , Peugeot , Cit2
roen ,Renault ,Volvo ,Delphi ,Johnson Cont rols ,Bert rand
Faure 和Magna 等几家大公司都在广泛应用Tekscan
系统来解决座椅舒适度问题。
基于Tekscan 公司的创新传感器技术,系统同时可以使用4 000 个以上的传感单元,分辨率达到每平方厘米一个传感单元,高于任何其他的系统。系统密集的间隙分辨率能使用户鉴别和测量缝合、接缝、垫子、线的支撑和泡沫硬度等对座椅的压力分布和舒适度的影响效果。在驾驶过程中,系统具有每秒( 208Hz) 8 000 000传感单元的动态压力分布采样能力。当然,系统也能处理简单静态的和准静态的情况。通过对压力分布的测量结果的评估,系统可以帮助设计者或制造商优化材料的选择,分析乘客进出的过程,从而优化驾驶员的驾驶位置,另外,系统还可评估悬挂系统对驾驶员的影响等。
系统的另外一个优点表现在其为非侵入式测量。
传感器只有0. 28 mm 厚,因此,将传感器放在座垫和靠背上面,并不妨碍乘客对座位的感觉。
利用测得的压力分布图就可以对座椅进行评估,并进行优化设计。
3 轮胎与地面的压力分布
为设计外形和性能都优良的轮胎,既要保证它容易行驶,同时也保证它不伤害地面,而平衡这两个问题将是对工程师一个严峻的挑战。首先,施加一个力在一个单独的车轮上,再将相同的力加在一个带有双轮胎的车轮上,然后将一片0. 1 mm 厚,具有2 000 个传感单元的传感器放在地板上,通过计算机控制受力的车轮从地板和传感器上压过,这样,在车轮和地板之间的压力将被记录下来,之后用于分析和比较。
4 车门密封
漏水、风、噪音以及开关门是否轻便等是汽车制造商和门密封设计者比较关心的问题。使用Tekscan 系统评估,观察和测量施加于密封胶条上的压力,可以确定理想的密封设计,并且找出密封的缺陷点。
在下面的讨论中,分别记录了使用Tekscan 传感器测量两个不同门的密封情况。并将记录的数据输出,显示为三维的图形,见图4 。从传感器A 的显示中,根据图示的空白处和颜色的变化可以发现这个密封的缺陷点。这就是漏风和漏水的隐患。如果和第二个密封情况,即传感器B 进行比较,缺点就更加明显了。注意,传感器B 的压力比较小,但比较平均,所以密封过程中没有缺陷点,这种情况就是比较理想的接触密封。
图4 两个不同门的密封情况
5 刹车片和闸瓦之间的压力分布
减少刹车的噪音、震动和刺耳的声音是对刹车设计工程师的一种挑战。Tekscan系统能测量交界面的
动态压力分布,并且提供诊断工具以改进设计。
在此,用两片单独的传感器进行研究。一片放在内侧刹车片和转轴之间,另一片放在外侧刹车片和转轴之间。用一个非旋转的动态测试机施加刹车压力。
然后以200 Hz 的速率对夹紧力进行数据记录。在施加夹紧力的过程中,峰值压力的分布图清楚地显示出刹车片在转轴上的压力分布的不均匀性。在内侧刹车片和外侧刹车片之间压力分布的不均匀性以不同的颜色表示出来。另外也显示出了在内刹车片的中心和外边缘处产生了较高的压力以及卡钳在外刹车片上产生的高压。
根据图形显示,每个刹车片的总受力都是平衡的,然而,因为压力分布的不均匀,所以每个刹车片的磨损和压力重点也是不同的。
类似的应用还有活塞、转子、卡钳等设计。
6 压力分布测量系统其他方面的典型应用
Tekscan 压力分布测量系统的应用范围很广,它可以测量除剪切力之外的所有压力。下面列举一些典型应用领域:座椅设计和舒适度研究;刹车片受力分析;轮胎着地压力分布;挡风玻璃雨刷设计;造纸业、打印机等行业中卷筒位置的调整;电路板印刷压力平衡调整;紧固件和夹紧装置附和分析;垫圈和密封设计;高速碰撞研究;医疗和商业床垫的设计;人类步态分析;人类关节研究;牙齿咬合力分析;假肢的设计。
现在就与我们联络，告诉我们您的应用与需求，您就能确实地了解我们能够如何的帮助您。您将会发现在触觉压力的处理上，没人可以比Tekscan做的更好。
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麦思科技北京办事处 业务工程师
赵洋 18310716580
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