压力分布测量系统测试特性的研究

王阳

南京力柔电子科技有限公司 210000

摘要：针对压力分布情况进行测量对于很多行业有着非常重要的作用，例如医疗领域、机器人领域、建筑工程领域等都有着广泛应用，针对压力分布测量系统测试特性进行研究对于提升压力分布测量精度有着重要的意义。本文通过对于压力分布测量系统进行介绍，然后对于压力分布测量系统测试特性以及应用案例进行探究，对于压力分布测量系统的广泛应用起到积极作用。

关键词：压力分布测量系统；测试特性；接触应力

针对压力分布测量系统测试特性进行研究能够对于压力分布测量系统测试结果的影响因素进行科学判定，从而不断提升压力分布测量系统的测试精度，使其在不同的科研领域能够得到更加广泛的应用。传统过程中针对压力分布进行测量主要通过多次测量的方式进行，这种方式不仅会浪费大量的资源，而且测试精度也存在明显不足，影响应用效果。随着技术演进逐渐形成了自动化的压力分布测量系统，能够针对测量物体进行及时准确的测量，同时可以直观展示测量数据。针对压力分布测量系统测试特性进行研究能够进一步提升压力分布测量系统的测量精度。

1. 压力分布测量系统

1. 测量系统构成

压力分布测量系统主要包含硬件软件两个部分，其中硬件部分通常包含多个功能结构部件，首先是施加压力的压头部件，一般包含上压头以及加载压头两个部分，承担了向测试材料施加压力的作用。不同的应用环境下，可会使用人体、机器人或者易拉罐等，而不使用特定的压头部件来施压。其次是压力传感器，压力分布测量系统中应用的传感器主要是薄膜传感器，两片薄膜中布设有条状的导体材料，一般包含上下两层，当两片薄膜相互接触时，内部的导体单元会相互贴合，其中布设的导体单元会形成一个压力感应阵列，导体具体排列规格可以按照具体的测量需求进行针对性的设计。测量过程中测试材料一般放置于压力传感器上部，通过对于传感器接收到的压力反馈出测试材料承受的压力。当上压头给测试材料施加压力时，测试材料下方的薄膜接收到介绍到传递下来的压力值，然后将数值通过电信号的方式传递给分析软件当中。最后是试验基座，试验基座是测量系统的底部支撑，能够为测量系统测量工作的开展提供良好的支撑作用。测量系统中一般包含多样性的信号输出接口，实现将电信号转化为数据信号的功能。薄膜传感器会对于内部的传感点电阻信息进行测量，然后将其转化为具体的数据指标输出到处理软件系统中，经过处理转化为具体的压力信息。

压力分布测量系统能够实现对于测量结果具象化展示，压力薄膜检测出具体的压力数值以后将数据传输到软件系统中，系统检测到薄膜反馈的电信号然后将其经过处理转化为具象的图像信息，具备二维以及三维多种展示形式。在三维图像信息中软件可以依据不同的压力大小显示不同的颜色信息，二维图像中会通过点位信息展示具体的受压程度。如果需要进行大面积的测量时，可能导致薄膜传感器无法完全覆盖测量单位，此时可以通过增加薄膜传感器的方式进行测量，通过专用软件实现对于不同传感器压力数据的获取，从而实现对于大面积物体的测量需求。

薄膜传感器压力分布式测量系统中测量功能得以实现的主要部件，薄膜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，也就决定了传感器间隙分辨率^[1]。传感器内部测量点位的个数以及间距等数据直接影响测量精度，因此可以按照压力测量的精度要求选取不同的薄膜传感器规格，以满足多样性的测量需求。

2. 分布测量原理

压力分布测量系统测量功能的实现原理是半导体阻值会随着压力变化而产生相应的改变，而电阻值和压力呈现反比例关系，因此可以通过计算获得相应的压力数值信息。当压头向试验薄板施加压力时，试验薄板承受的压力会传递至下方的薄膜传感器，随后传感器上方的传感点感受到力的变化，压敏半导体的阻值也随之产生一定的变化。这一过程中压力与阻值呈现反比例关系，即阻值会随着压力的逐渐增大而变小，阻值变化会导致传感器内部的电压发生对应的变化，收集电压变化的信息并且将其转化为具体数值，然后就可以通过数据处理的方式呈现出相应的受力图像信息。

2. 压力分布测量系统测试特性研究

1. 校准文件选取

使用压力分布测量系统进行测试首先需要对于压力分布测量系统薄膜传感器精度进行检测校验，校验方式主要有两种，一种是使用单点校准的方法，即向薄膜传感器传递固定的压力，此压力值通常由检测系统使用环境决定，有与此压力相匹配的薄膜压力传感器。经由系统处理得出明确的电压值与荷载值的关系图像，然后将这一图像作为基准关系，后续测量过程可以通过基准电压与受力关系进行比较。另一种是双点校准，去所需测量的荷载上限的20%和80%两个荷载加载于薄膜传感器上，通过建立核准文件^[2]。双点校准的测量精度相较于单点校准更加精确，对于校验文件选取进行的实践表明，测量精度校准文件的选取应当以要测量的材料为主。即如果需要对于橡胶材料的承压力数据进行计算，那么应当选取橡胶作为校验文件，这样在后续测量过程中能够得到更加精确的应力数据信息，避免校准文件材质与测量材料材质不同而导致的测量精度受到影响。

2. 接触材质影响

接触材料的材质对于测量精度有着重要的影响。针对接触介质对于测量效果的影响进行分析，能够进一步降低接触材质对于压力分布测量系统测量结果产生的影响，提升测试的精确程度。选取橡胶、泡沫、钢板以及木板这四种材料进行试验，模拟测试过程中不同接触材质的误差，结果如表1所示。

表1 不同接触材质测量结果

针对测量结果进行分析可得，钢板输入值与测试值之间的误差最大，而橡胶输入值与测试值之间的误差最小，泡沫随着外部载荷力不断增加的情况下，其测试误差也会逐渐增大。有测试结果可得，材料的刚性指标对于测量精确性会产生比较大的影响，钢板的刚性指标更强，因此输入压力会对于钢板产生比较大的影响，导致测量精度受到影响，而木板由于材料性质导致无法承受过大的载荷力。而泡沫与橡胶的刚性相对较弱，因此测试值与输入值并不会产生比较大的误差。测试结果表明材料的刚度对于测试误差有着十分重要的影响，刚度大的材质测试过程中产生的误差也相对较大。

3. 压力分布系统应用探究

1. 在汽车生产领域的应用

压力分布测量系统能够对于座椅的舒适程度进行测量，从而使得座椅能够为使用者带来更加舒适的乘坐体验。由于座椅的面积较大，因此针对座椅乘坐压力进行测量过程中需要的传感器面积也要进行针对性的设计，确保能够对于座椅整体进行精确测量。测量过程相对简单，可以将优化设计的传感器单元置于座椅底部以及靠背区域，然后进行进行实时测量。针对座椅承受压力的测量需要区分不同的场景，针对驾驶过程中座椅承受的压力以及静止状态下座椅承受的压力需要进行分别测量，然后对于不同场景下的座椅压力数据进行分析，帮助座椅生产厂商能够应用压力数据对于座椅乘坐舒适度进行优化调整，为汽车驾驶员以及乘客提供更好乘坐体验.

压力分布测量系统还可以对于轮胎压力进行准确的测试，从而为轮胎厂商改进优化提供科学的数据支撑。轮胎设计对于汽车行驶安全有着十分重要的影响，因为汽车行驶过程中轮胎会承受多方面的压力，行驶过程中长时间的受力不均会直接影响汽车安全。压力分布测量系统在轮胎改进过程中的应用首先是对于轮胎压力的测量。通过将传感器布设在汽车前进的路上，然后让轮胎以不同行驶速度通过传感器，探究轮胎在不同行驶速度下所承受的压力。经过测算得出轮胎在不同行驶速度下的压力数据以后，生产厂商可以按照轮胎安全标准对其进行优化调整，确保不同行驶速度下轮胎都能保持优秀的抓地力，提升车辆整体的安全性。

2. 在医疗保健领域的应用

压力分布测量系统在医疗保健领域有着广泛的应用。足底压力对于人体健康会有着重要的影响，足底压力分布不均可能会导致神经损伤等多种疾病，针对人体足底压力的测量能够帮助人们及时发现自身行走习惯或者足底结构存在的问题，然后进行及时的纠正，避免造成更加严重的后果。压力分布测量系统在足底压力测试过程中的应用需要配合导电橡胶，导电橡胶是一种电阻性高分子材料，能够使传感器准确的捕获电阻的变化^[3]。通过对于人体行走在到导电橡胶材料上电阻变化情况进行收集，从而实现对于人体足底压力情况的精确测量，然后借助于数据处理软件对数据进行分析，辅助临床过程中研究对于足底压力分布与特定疾病的关联，促进医学事业的发展。

结束语

针对压力分布测量系统测试特性进行研究对于压力分布测量系统的广泛应用有着积极地作用。使用压力分布测量系统进行压力测量时，首先需要按照测试环境的差异进行测试校准提升测量精度，然后科学选取接触材料，避免接触材质对于测量结果产生影响。

参考文献

1. 兰民国. Tekscan压力分布测量系统[J]. 测控技术,2002,21(4):8-9，17. DOI:10.3969/j.issn.1000-8829.2002.04.003.

2. 兰志文,许渊,马恺,等. 压力分布测量系统测试特性的研究[J]. 实验室研究与探索,2018,37(4):8-12,17. DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2018.04.003.

3. 金观昌,张军,张建中,等. 一种新型人足底压力分布测量系统及其应用[J]. 生物医学工程学杂志,2005,22(1):133-136. DOI:10.3321/j.issn:1001-5515.2005.01.032.