ForceMapping系統是一套專用于力學的薄膜壓力分布測試系統，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（6400測點）能夠將整個接觸面的壓力以2D、3D云圖、表格的方式表現出來，方便客戶更好的進行科研與檢測。

ForceMapping廣泛應用于：機械（航天、航空、船舶、汽車、電梯、起重機等）、土木工程（巖土、結構、橋梁、水利、環境等）、生物力學（關節、足底、步態、握力等）。

 

 

一、系統組成

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

 

系統優勢如下：

1） 柔性傳感器，可以緊貼測試表面，不影響受力結構

2） 厚度只有0.2mm，可安裝在狹窄測試點

3） 單機測點數6400點，100測點/cm²最高密度，能夠形成壓力測試云圖，能測試整個面的受力

4） 產品支持定制，最大可以實現0.9m×2.0m的面積

5） 軟件功能強大，可以同時分析各種功能，還可以同時采集模擬量

 

l 薄膜壓力分布傳感器

 

1） 厚度：0.2mm

2） 柔性傳感器：可彎曲，不影響被測物結構

3） 量程：20kPa\10MPa\50MPa等

4） 測點：6400左右，上百種形狀規格

5） 面積：27mm×27mm～約1m²

 

l FMAP-360薄膜壓力分布數據采集儀

 

1) 采樣率：1～100Hz

2) 測點數：最大80×80測點（根據薄膜壓力傳感器）

3) A/D：16位

4) 通訊方式：以太網接口

5) 模擬量信號通道：4路

6) 主機長寬高尺寸：272mm×68mm×40mm

7) 導線延長度：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個模擬量通道、4個數字量通道

10) 加轉接器轉接后支持橋路：全橋、1/2、1/4橋；可以測量：應變片，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，實時傳感器數據同步顯示

2) 數據存儲：壓力數據快照、AVI視頻、CSV導出

3) 數據回放：視頻回放、播放速度調節、編輯幀

4) 設置參數：數據單位、采樣率、圖像導出、數據處理、校準處理

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

 

二、薄膜壓力分布測試原理

l 傳感器內部構造

將感應壓阻墨水按縱向與橫向印刷在傳感器的基底聚酯材料上，縱向感應印刷一面，橫向感應印刷一面，當這個區域受壓后，橫向感應條與縱向感應條交疊，產生電阻輸出，通過測量變化后的電阻值，算出施加的壓力值。

 

 

l 采集電路實現原理

 

1） 縱向感應去與橫向感應區疊交成為一個測點

2） 這個測點通過控制電路控制鎖住接入放到電路，把電阻值調制成電壓值

3） 電阻轉為電壓值與壓力值成正比例，電壓值介入A/D采樣電路，轉變為數字量在電腦軟件中顯示

 

 

三、巖土工程應用案例

1、曲面土壓力測量研究

 

巖土工程現場及室內模型試驗中常用剛性土壓力盒測量土壓力，但傳統剛性土壓力盒（SPC）由于隔膜下陷、 “嵌入”效應、不能完全貼合測量表面、需要較大的埋設空間等自身局限性，在測量例如樁或埋地管道等彎曲表面土 壓力時并不適用。基于薄膜壓力傳感器（FSR）的特點設計了測量電路和標定裝置，分析了標定特性，并初步探究了撓 度對薄膜壓力傳感器（FSR）測量的影響，最后通過試驗對比分析了傳統剛性土壓力盒（SPC）和薄膜壓力傳感器（FSR） 測量彎曲表面土壓力的性能。結果表明薄膜壓力傳感器（FSR）能有效避免“嵌入”效應，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：

l 測點多，矩陣分布：單個多點薄膜壓力傳感器2000測點，直觀反映壓力分布情況

l 動態記錄

l 0.2mm厚度：防止受壓側滑

l 色階顯示力值大小

l 可做重復性實驗

使用儀器：

l 5315型多點薄膜壓力傳感器傳感器

l MFF單點薄膜壓力測試系統

l 201型單點薄膜壓力傳感器

 

3、隧道壓力分布測試

測試亮點：

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

l 動態記錄

l 0.2mm厚度：防止受壓側滑

l 色階顯示力值大小

l 可做重復性實驗

 

 

 

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象嚴重，無法獲得良好的注漿堵水 效果的問題，采用數值模擬計算與物理實驗相結合的研究方法，提出一種在井壁澆筑階段 預埋可膨脹空心膠管，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的 環向密封面，使漿液難以泄漏至井壁內側、達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，膠管內壓、膠管壁厚可選擇較小的數值，因為在膠管內壓、壁厚一定的情況下，膠管的密封能力會隨著注漿壓力的增加而變強，其最大接觸應力值會始終大于注漿壓力值，這也是O型密封圈實現密封功能的前提。

-引自《單層井壁接茬注漿堵漏技術研究 》鹿泉

 

5、煤礦垮塌模擬測試案例

測試亮點：

l 模擬測試：采煤過程中巖層的不同層面垮塌斷裂時對采煤層的壓力分布情況；

l 實驗影響小：0.2mm傳感器不影響斷裂垮塌

l 測點多：1張傳感器2016測點，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

l 6360型多點薄膜壓力傳感器             

 

 

6、落石對廊道結構的影響

 

落石是瑞士山區最常見的自然災害之一。混凝土保護廊道用于保護當地基礎設施和救生索免受這些潛在的巖石影響。在這些廊道上鋪設墊層材料以吸收落石沖擊能量，這是保護廊道設計的主要輸入參數之一。已經嘗試通過在廊道上放置更好的阻尼材料來減少沖擊能量。高巖石沖擊能量范圍很難在實驗室規模上建模。由于所涉及的高成本以及潛在測試的奇異性，通常避免現場測試。在巖土離心機的幫助下，可以在實驗室規模上實現原型能級。保護廊道的儀器模型在高g水平下旋轉，從而增加材料的單位重量。在適當的縮放定律的幫助下，可以實現原型能級。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。隨后將測試結果與使用有限元程序LS-DYNA的數值建模進行比較。

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

 

7、離心機巖土壓力分布測試

測試亮點：

l 測試離心力對土體產生的壓力分布情況，并能夠以力的云圖形式顯示。

l 0.2mm厚度：防止受壓側滑

l 軟件實時顯示土里各個點壓力的變化情況，以及實時的壓力值

l 可做重復性實驗

使用儀器：

l 5315型多點薄膜壓力傳感器傳感器

l MFF單點薄膜壓力測試系統

l 201型單點薄膜壓力傳感器

 

 

8、混凝土澆筑測試

測試亮點：

l 測試混凝土打印過程中的壓力分布數值與圖像

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型多點薄膜壓力傳感器傳感器

l 測點數 2880 測點，

l 120x150mm 感應區域

l 采樣率 1~100Hz，支持動靜態測試

 

 

9、土工試驗中的應用

 

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域內測壓單元的數量可達 248 個，便于對土顆粒間作用力的分布進行統計學分析。

10、土壤、砂堆壓力分布測試

 

用于監測砂堆結構的壓力分布情況。

測試內容：

l 受力分布

l 長期監測

系統優勢：

l 實時、準確地監測沙堆結構的狀態

l 為安全維護提供重要數據支持。

 

 

評估土壤中應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。這些測量很難執行，并且它們捕捉應力變化的能力有限。

一種相對較新的技術利用了柔性的、基于網格的觸覺壓力傳感器，允許測量彼此接近的大量點處的應力，從而提供了真實的正應力分布。它們的薄（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有應力條件的測量。觸覺壓力技術在土壤中的應用由于其創新的操作原理而需要適應和校準。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的三個主題：（i）顆粒尺寸對沿固體表面邊界測量應力分布的影響，（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

 

砂堆底部應力的降低表現出顆粒材料已知的制備依賴性。通過使用基于網格的觸覺壓力傳感器，我們仔細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展。在小流量下觀察到應力顯著降低，但在大流量下逐漸消失。這一結果有助于理解砂堆內部的應力分布。

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

 

11、砂土介質標定

 

土壓力的精確測量在巖土工程領域有重要作用。傳統土壓力盒體積大，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。薄膜壓力傳感器應用過程中需要根據實際使用情況進行標定。本文通過自主研制的標定筒研究薄膜壓力傳感器在砂土介質中的標定效果，并將砂標結果與廠標結果進行對比。采用同一薄膜壓力傳感器對不同相對密度的砂土進行了標定，結果表明，砂標結果值大于廠標結果值，砂土的相對密度越大，標定系數越小。

如需獲得更多信息，請聯系瑞科（廣州）儀器科技有限公司。