Tekscan 压力分布测量系统

对各种压力分布测量和分析 ,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 。

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* 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 %。Tekscan 压力分布测量系统如果测量面积很大 ,一个传感器不能覆盖时 ,可以 使用多个传感器 (*多 12 个) 的组合 ,即虚拟系统结构 (VSA) 。V SA 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。

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。

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 。*简单的测量系统的采样频率为每通道 20 k Hz。

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 ,Bertrand 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 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。

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传感器分时供电技术及其在低功耗混合式流量积算仪中的应用必须足够小 , 压降足够小 , 功耗足够小 , 因此选择了 MAX4559 ,或 CD4052 等器件 , 它们都能可靠地完成 电源切换任务。

1. 3 激励电源的选择

激励电源可分为两种 : 恒压源和恒流源 ,由于压 力 、差压和温度测量一般都是用桥电路来实现 。以温 度测量为列 ,常用的铂电阻温度测量桥电路如图 2 所 示。

用铂电阻测温 ,如果采用恒压供电 ,一般采用测量电路 。由文献[ 1 ]可知 ,假定电桥供电电源 为恒压 6. 2 V ,以 R t = 100 Ω 为基点 ,限流电阻 R 1 为 6. 1 kΩ ,铂电阻上的电流为 1. 0  mA ,铂电阻上压降为100 mV ;当由于温度变化铂电阻阻值变为 200 Ω 时 , 由于电流的下降 ,压降*为 196. 8 mV ,由此产生 3. 2 Ω误差 ,对应的温度误差接近 10   ℃,显然 ,这样的测温精度是不能接受的 。消除这一误差的*理想方法是采 用恒流源为铂电阻供电 。对于压阻式压力 (差压) 传感 器也存在同样的问题。因此 ,在传感器分时供电技术中 ,采用恒流源作为 传感器的激励电源 ,可以更好地实现精确测量。

2精密恒流源的设计与选择

2. 1精密恒流源的设计

精密恒流源有许多种 。一种可行的精密恒流源的 设计方案是采用 B2B 公司的 REF200 。REF200 广泛 应用于传感器激励 ,它具有高精度 (100 μA ±0. 5 %) 、 低温度系数 (  ±25  ×10 -  6/  ℃) 和宽电压范围 (2. 5～40   V) 等特点 。它还包含有镜像电流功能 。用它可以构 成 50μA ,100 μA ,200 μA ,300 μA 和 400 μA 恒流源。 REF200 的芯片管脚图如图 3 所示 。用一个 REF200 构成 400 μA 恒流源电路如图 4 所示。

另一种可行的恒流源的设计方案是采用杭州大学 电子工程系的恒流管 4DH2 ,其恒流源电路如图 5 所 示 。其中 R 1 、R    2 由恒流源电流大小决定。

2. 2精密恒流源的选择

恒流源的选择基于 4 点 :起始电压 、带负载能力 、 开关特性和成本 。一般要求起始电压低 、带负载能力 强 、开关特性好 、成本低 。

起始电压是指当电源电压大于某个电压 U 0 以 后 ,其输出电流恒定 ;带负载能力是指恒流管在接上负动态压力分布 ,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。