ForceMapping系統(tǒng)是一套專用于力學(xué)的薄膜壓力分布測試系統(tǒng)，可測量接觸面的接觸壓力分布情況。柔性傳感器超薄的厚度（0.2mm），大量的測點(diǎn)（6400測點(diǎn)）能夠?qū)⒄麄€(gè)接觸面的壓力以2D、3D云圖、表格的方式表現(xiàn)出來，方便客戶更好的進(jìn)行科研與檢測。

ForceMapping廣泛應(yīng)用于：機(jī)械（航天、航空、船舶、汽車、電梯、起重機(jī)等）、土木工程（巖土、結(jié)構(gòu)、橋梁、水利、環(huán)境等）、生物力學(xué)（關(guān)節(jié)、足底、步態(tài)、握力等）。

 

 

一、系統(tǒng)組成

ForceMapping薄膜壓力分布測試系統(tǒng)由薄膜壓力分布傳感器、采集器和測試軟件三部分組成。

 

系統(tǒng)優(yōu)勢如下：

1） 柔性傳感器，可以緊貼測試表面，不影響受力結(jié)構(gòu)

2） 厚度只有0.2mm，可安裝在狹窄測試點(diǎn)

3） 單機(jī)測點(diǎn)數(shù)6400點(diǎn)，100測點(diǎn)/cm²最高密度，能夠形成壓力測試云圖，能測試整個(gè)面的受力

4） 產(chǎn)品支持定制，最大可以實(shí)現(xiàn)0.9m×2.0m的面積

5） 軟件功能強(qiáng)大，可以同時(shí)分析各種功能，還可以同時(shí)采集模擬量

 

l 薄膜壓力分布傳感器

 

1） 厚度：0.2mm

2） 柔性傳感器：可彎曲，不影響被測物結(jié)構(gòu)

3） 量程：20kPa\10MPa\50MPa等

4） 測點(diǎn)：6400左右，上百種形狀規(guī)格

5） 面積：27mm×27mm～約1m²

 

l FMAP-360薄膜壓力分布數(shù)據(jù)采集儀

 

1) 采樣率：1～100Hz

2) 測點(diǎn)數(shù)：最大80×80測點(diǎn)（根據(jù)薄膜壓力傳感器）

3) A/D：16位

4) 通訊方式：以太網(wǎng)接口

5) 模擬量信號通道：4路

6) 主機(jī)長寬高尺寸：272mm×68mm×40mm

7) 導(dǎo)線延長度：0.5m、2m、5m、10m （長度可定制）

8) 供電：12-24V電源供電

9) 接口豐富，配有4個(gè)模擬量通道、4個(gè)數(shù)字量通道

10) 加轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)接后支持橋路：全橋、1/2、1/4橋；可以測量：應(yīng)變片，載荷傳感器，加速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等

 

l ForceMapping 分析軟件

 

1) 顯示：2D、3D、等高線，實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)同步顯示

2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：壓力數(shù)據(jù)快照、AVI視頻、CSV導(dǎo)出

3) 數(shù)據(jù)回放：視頻回放、播放速度調(diào)節(jié)、編輯幀

4) 設(shè)置參數(shù)：數(shù)據(jù)單位、采樣率、圖像導(dǎo)出、數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)處理

5) 分析功能：最大、最小、平均、峰值、記錄重心偏移及重量分布、不同區(qū)域壓力隨時(shí)間的變化曲線

 

二、薄膜壓力分布測試原理

l 傳感器內(nèi)部構(gòu)造

將感應(yīng)壓阻墨水按縱向與橫向印刷在傳感器的基底聚酯材料上，縱向感應(yīng)印刷一面，橫向感應(yīng)印刷一面，當(dāng)這個(gè)區(qū)域受壓后，橫向感應(yīng)條與縱向感應(yīng)條交疊，產(chǎn)生電阻輸出，通過測量變化后的電阻值，算出施加的壓力值。

 

 

l 采集電路實(shí)現(xiàn)原理

 

1） 縱向感應(yīng)去與橫向感應(yīng)區(qū)疊交成為一個(gè)測點(diǎn)

2） 這個(gè)測點(diǎn)通過控制電路控制鎖住接入放到電路，把電阻值調(diào)制成電壓值

3） 電阻轉(zhuǎn)為電壓值與壓力值成正比例，電壓值介入A/D采樣電路，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量在電腦軟件中顯示

 

 

三、巖土工程應(yīng)用案例

1、曲面土壓力測量研究

 

巖土工程現(xiàn)場及室內(nèi)模型試驗(yàn)中常用剛性土壓力盒測量土壓力，但傳統(tǒng)剛性土壓力盒（SPC）由于隔膜下陷、 “嵌入”效應(yīng)、不能完全貼合測量表面、需要較大的埋設(shè)空間等自身局限性，在測量例如樁或埋地管道等彎曲表面土 壓力時(shí)并不適用?；诒∧毫鞲衅鳎‵SR）的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了測量電路和標(biāo)定裝置，分析了標(biāo)定特性，并初步探究了撓 度對薄膜壓力傳感器（FSR）測量的影響，最后通過試驗(yàn)對比分析了傳統(tǒng)剛性土壓力盒（SPC）和薄膜壓力傳感器（FSR） 測量彎曲表面土壓力的性能。結(jié)果表明薄膜壓力傳感器（FSR）能有效避免“嵌入”效應(yīng)，減小測量誤差，并且安裝方便。

-引自《薄膜壓力傳感器（FSR）曲面土壓力測量研究》劉開源，許成順*，賈科敏，張小玲

 

2、隧道土壓力模擬測試

 

測試亮點(diǎn)：

l 測點(diǎn)多，矩陣分布：單個(gè)多點(diǎn)薄膜壓力傳感器2000測點(diǎn)，直觀反映壓力分布情況

l 動(dòng)態(tài)記錄

l 0.2mm厚度：防止受壓側(cè)滑

l 色階顯示力值大小

l 可做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

使用儀器：

l 5315型多點(diǎn)薄膜壓力傳感器傳感器

l MFF單點(diǎn)薄膜壓力測試系統(tǒng)

l 201型單點(diǎn)薄膜壓力傳感器

 

3、隧道壓力分布測試

測試亮點(diǎn)：

l 測點(diǎn)多，矩陣分布：分布式薄膜壓力傳感器6400測點(diǎn)，矩陣分布直觀反映壓力分布情況

l 動(dòng)態(tài)記錄

l 0.2mm厚度：防止受壓側(cè)滑

l 色階顯示力值大小

l 可做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

 

 

 

4、井壁壓力測試

 

針對單層井壁在壁后注漿階段混凝土接茬處漏漿現(xiàn)象嚴(yán)重，無法獲得良好的注漿堵水 效果的問題，采用數(shù)值模擬計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，提出一種在井壁澆筑階段 預(yù)埋可膨脹空心膠管，通過液力使其膨脹與混凝土面充分接觸，在井壁接茬面獲得連續(xù)的 環(huán)向密封面，使?jié){液難以泄漏至井壁內(nèi)側(cè)、達(dá)到改善注漿效果的目的。

在注漿過程中使用可膨脹膠管可有效地封堵漿液，膠管內(nèi)壓、膠管壁厚可選擇較小的數(shù)值，因?yàn)樵谀z管內(nèi)壓、壁厚一定的情況下，膠管的密封能力會(huì)隨著注漿壓力的增加而變強(qiáng)，其最大接觸應(yīng)力值會(huì)始終大于注漿壓力值，這也是O型密封圈實(shí)現(xiàn)密封功能的前提。

-引自《單層井壁接茬注漿堵漏技術(shù)研究 》鹿泉

 

5、煤礦垮塌模擬測試案例

測試亮點(diǎn)：

l 模擬測試：采煤過程中巖層的不同層面垮塌斷裂時(shí)對采煤層的壓力分布情況；

l 實(shí)驗(yàn)影響?。?/span>0.2mm傳感器不影響斷裂垮塌

l 測點(diǎn)多：1張傳感器2016測點(diǎn)，矩陣分布充分反映壓力分布情況

使用儀器：

l FORCEMAPPING薄膜載荷測量系統(tǒng)

l 6360型多點(diǎn)薄膜壓力傳感器             

 

 

6、落石對廊道結(jié)構(gòu)的影響

 

落石是瑞士山區(qū)最常見的自然災(zāi)害之一?；炷帘Ｗo(hù)廊道用于保護(hù)當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施和救生索免受這些潛在的巖石影響。在這些廊道上鋪設(shè)墊層材料以吸收落石沖擊能量，這是保護(hù)廊道設(shè)計(jì)的主要輸入?yún)?shù)之一。已經(jīng)嘗試通過在廊道上放置更好的阻尼材料來減少?zèng)_擊能量。高巖石沖擊能量范圍很難在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上建模。由于所涉及的高成本以及潛在測試的奇異性，通常避免現(xiàn)場測試。在巖土離心機(jī)的幫助下，可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上實(shí)現(xiàn)原型能級。保護(hù)廊道的儀器模型在高g水平下旋轉(zhuǎn)，從而增加材料的單位重量。在適當(dāng)?shù)目s放定律的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)原型能級。本文主要研究特定能量落石的沖擊力和在廊道中產(chǎn)生的力的確定。比較了不同能量范圍和墊層材料下巖石的最大加速度值和廊道的撓度。隨后將測試結(jié)果與使用有限元程序LS-DYNA的數(shù)值建模進(jìn)行比較。

-引自《Rockfall impact on protection galleries 》R. Chikatamarla, J. Laue, S.M. Springman

 

7、離心機(jī)巖土壓力分布測試

測試亮點(diǎn)：

l 測試離心力對土體產(chǎn)生的壓力分布情況，并能夠以力的云圖形式顯示。

l 0.2mm厚度：防止受壓側(cè)滑

l 軟件實(shí)時(shí)顯示土里各個(gè)點(diǎn)壓力的變化情況，以及實(shí)時(shí)的壓力值

l 可做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

使用儀器：

l 5315型多點(diǎn)薄膜壓力傳感器傳感器

l MFF單點(diǎn)薄膜壓力測試系統(tǒng)

l 201型單點(diǎn)薄膜壓力傳感器

 

 

8、混凝土澆筑測試

測試亮點(diǎn)：

l 測試混凝土打印過程中的壓力分布數(shù)值與圖像

l 采集混凝土打印外形圖像

l 多種量程傳感，傳感器最大量程達(dá)到 50Mpa

l 壓力分布圖像能夠以 2D 云圖的形式顯示受力分布，清晰直觀

使用儀器：

l 6120型多點(diǎn)薄膜壓力傳感器傳感器

l 測點(diǎn)數(shù) 2880 測點(diǎn)，

l 120x150mm 感應(yīng)區(qū)域

l 采樣率 1~100Hz，支持動(dòng)靜態(tài)測試

 

 

9、土工試驗(yàn)中的應(yīng)用

 

l 傳感器各層均為柔軟材料，且總厚度可低至 0.1 mm，將此傳感器置于土中時(shí)對土體的干擾將極大地降低。

l 該薄膜傳感器的測壓單元的長度和寬度可小至 0.2 mm。鑒于實(shí)際工程中砂的平均粒徑約為 0.2～2 mm，寬度為 0.2 mm 的測壓單元的測量值即可反映砂土顆粒間作用力的相對大小。

l 該薄膜壓力傳感器每平方厘米的區(qū)域內(nèi)測壓單元的數(shù)量可達(dá) 248 個(gè)，便于對土顆粒間作用力的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

10、土壤、砂堆壓力分布測試

 

用于監(jiān)測砂堆結(jié)構(gòu)的壓力分布情況。

測試內(nèi)容：

l 受力分布

l 長期監(jiān)測

系統(tǒng)優(yōu)勢：

l 實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測沙堆結(jié)構(gòu)的狀態(tài)

l 為安全維護(hù)提供重要數(shù)據(jù)支持。

 

 

評估土壤中應(yīng)力分布的常用方法依賴于使用埋入式或表面安裝式測壓元件。這些測量很難執(zhí)行，并且它們捕捉應(yīng)力變化的能力有限。

一種相對較新的技術(shù)利用了柔性的、基于網(wǎng)格的觸覺壓力傳感器，允許測量彼此接近的大量點(diǎn)處的應(yīng)力，從而提供了真實(shí)的正應(yīng)力分布。它們的?。?/span>0.1mm）柔性薄膜克服了剛性稱重傳感器引入的剛度變化的影響，從而允許更好地代表現(xiàn)有應(yīng)力條件的測量。觸覺壓力技術(shù)在土壤中的應(yīng)用由于其創(chuàng)新的操作原理而需要適應(yīng)和校準(zhǔn)。提供了過去十年中開展的工作的例子。所提出的研究涉及土壤力學(xué)的三個(gè)主題：（i）顆粒尺寸對沿固體表面邊界測量應(yīng)力分布的影響，（ii）砂堆下的壓力梯度，以及（iii）剛性條形基腳下的接觸應(yīng)力。

-引自《The Use of Tactile Sensor Technology for Measuring Soil Stress Distribution  》Samuel G. Paikowsky1, Chris J. Palmer2, and Lawrence E. Rolwes3

 

砂堆底部應(yīng)力的降低表現(xiàn)出顆粒材料已知的制備依賴性。通過使用基于網(wǎng)格的觸覺壓力傳感器，我們仔細(xì)測量了通過將米粒漏斗輸送到傳感器上形成的錐形樁底部壓力文件的逐漸發(fā)展。在小流量下觀察到應(yīng)力顯著降低，但在大流量下逐漸消失。這一結(jié)果有助于理解砂堆內(nèi)部的應(yīng)力分布。

-引自《The  in?uence  of  ?ow  rate  on  the  decrease  in  pressure  beneath  a  conical  pile 》Jianguo  Liu,  Qicheng  Sun ?,  Feng  Jin

 

11、砂土介質(zhì)標(biāo)定

 

土壓力的精確測量在巖土工程領(lǐng)域有重要作用。傳統(tǒng)土壓力盒體積大，對土體完整影響較大，薄膜壓力傳感器是一種新型測量土壓力的儀器，厚度薄、靈敏度高。薄膜壓力傳感器應(yīng)用過程中需要根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行標(biāo)定。本文通過自主研制的標(biāo)定筒研究薄膜壓力傳感器在砂土介質(zhì)中的標(biāo)定效果，并將砂標(biāo)結(jié)果與廠標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對比。采用同一薄膜壓力傳感器對不同相對密度的砂土進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明，砂標(biāo)結(jié)果值大于廠標(biāo)結(jié)果值，砂土的相對密度越大，標(biāo)定系數(shù)越小。

如需獲得更多信息，請聯(lián)系瑞科（廣州）儀器科技有限公司。