Tekscan 壓力分布測量系統(tǒng) 摘要:介紹一種先進的壓力分布測量系統(tǒng),該系統(tǒng)使用獨特的柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感器,能夠對任何接觸面之間的壓力分布進行動態(tài)測量,并以直觀、形象的二維、三維彩色圖形顯示壓力分布的輪廓和數(shù)值,進而做出評估?！　Ω鞣N壓力分布的測量和分析,在各行各業(yè)的研究和發(fā)展中都起著極其重要的作用。例如,汽車行業(yè)中,研究座椅的舒適性,需要測量人體對座椅的壓力分布;為提高輪胎的性能,需要測量輪胎與地面的接觸輪廓和壓力分布;為確保車門的密封性,需要測量車門密封墊在關門時的受力分布;醫(yī)療領域中,牙科醫(yī)生要診斷病人的牙齒咬合狀況,需要測量病人上下牙齒間的咬合力大小和分布,等等。所以,壓力分布的測量成為解決這些問題的首要條件。而解決這些問題的傳統(tǒng)辦法就是進行反復的實驗,這樣不但效率低,而且成本也比較高。美國Tekscan 公司的壓力分布測量系統(tǒng)就是基于上述情況而開發(fā)的,它是一種經(jīng)濟、、、快速、直觀的壓力分布測量工具。 1 系統(tǒng)結構與原理 Tekscan 壓力分布測量系統(tǒng)的獨特之處在于其專利技術———柔性薄膜網(wǎng)格傳感器。 標準的Tekscan 壓力傳感器由兩片很薄的聚酯薄膜組成,其中一片薄膜的內表面鋪設若干行的帶狀導體,另一片薄膜的內表面鋪設若干列的帶狀導體。導體本身的寬度以及行間距可以根據(jù)不同的測量需要而設計。導體外表涂有特殊的壓敏半導體材料涂層。當兩片薄膜合為一體時,大量的橫向導體和縱向導體的交叉點就形成了壓力感應點陣列。當外力作用到感應點上時,半導體的阻值會隨外力的變化而成比例變化,由此來反映感應點的壓力值。即壓力為零時,阻值較大,壓力越大,阻值越小,從而可以反映出兩接觸面間的壓力分布情況。 傳感器內部導體的寬度、行距、列距決定了每單位面積內傳感點的個數(shù),即間隙分辨率。每個傳感點面積可以小到1. 613 mm2 ,行列距可小到0. 5 mm。不同的傳感器面積和間隙分辨率可滿足各種不同的測量要求。例如,Tekscan 曾提供過面積為1 935 cm2 、傳感點為100 000 個的傳感器; Tekscan 開發(fā)的牙齒咬合力分析系統(tǒng),傳感器面積為25. 8 cm2 ,共有1 500 個傳感點;用于座椅壓力分布研究的傳感器具有4 000 個以上的感應點,分辨率為1 個感應點/ cm2 。傳感器有不同的形狀和規(guī)格,其壓力測量范圍為0～175 MPa ,度為±5 %。 2 系統(tǒng)在座椅舒適度測量中的應用 GM , Ford , Toyota , Honda , BMW , Peugeot , Cit2roen ,Renault ,Volvo ,Delphi ,Johnson Cont rols ,Bert randFaure 和Magna 等幾家大公司都在廣泛應用Tekscan系統(tǒng)來解決座椅舒適度問題。基于Tekscan 公司的創(chuàng)新傳感器技術,系統(tǒng)同時可以使用4 000 個以上的傳感單元,分辨率達到每平方厘米一個傳感單元,高于任何其他的系統(tǒng)。系統(tǒng)密集的間隙分辨率能使用戶鑒別和測量縫合、接縫、墊子、線的支撐和泡沫硬度等對座椅的壓力分布和舒適度的影響效果。在駕駛過程中,系統(tǒng)具有每秒( 208Hz) 8 000 000傳感單元的動態(tài)壓力分布采樣能力。當然,系統(tǒng)也能處理簡單靜態(tài)的和準靜態(tài)的情況。通過對壓力分布的測量結果的評估,系統(tǒng)可以幫助設計者或制造商優(yōu)化材料的選擇,分析乘客進出的過程,從而優(yōu)化駕駛員的駕駛位置,另外,系統(tǒng)還可評估懸掛系統(tǒng)對駕駛員的影響等。 系統(tǒng)的另外一個優(yōu)點表現(xiàn)在其為非侵入式測量。傳感器只有0. 28 mm 厚,因此,將傳感器放在座墊和靠背上面,并不妨礙乘客對座位的感覺。利用測得的壓力分布圖就可以對座椅進行評估,并進行優(yōu)化設計。 Tekscan 壓力分布測量系統(tǒng) 動態(tài)壓力分布,并且提供診斷工具以改進設計。在此,用兩片單獨的傳感器進行研究。一片放在內側剎車片和轉軸之間,另一片放在外側剎車片和轉軸之間。用一個非旋轉的動態(tài)測試機施加剎車壓力。然后以200 Hz 的速率對夾緊力進行數(shù)據(jù)記錄。在施加夾緊力的過程中,峰值壓力的分布圖清楚地顯示出剎車片在轉軸上的壓力分布的不均勻性。在內側剎車片和外側剎車片之間壓力分布的不均勻性以不同的顏色表示出來。另外也顯示出了在內剎車片的中心和外邊緣處產(chǎn)生了較高的壓力以及卡鉗在外剎車片上產(chǎn)生的高壓。 根據(jù)圖形顯示,每個剎車片的總受力都是平衡的,然而,因為壓力分布的不均勻,所以每個剎車片的磨損和壓力重點也是不同的。類似的應用還有活塞、轉子、卡鉗等設計。 壓力分布測量系統(tǒng)其他方面的典型應用 Tekscan 壓力分布測量系統(tǒng)的應用范圍很廣,它可以測量除剪切力之外的所有壓力。下面列舉一些典型應用領