Tekscan压力分布测量系统

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( 208

Hz) 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