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
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
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Tekscan 压力分布测量系统•9 •
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

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