新产品-ForceMapping薄膜压力分布测试系统在岩土工程中的应用
时间：2024-5-23 来源：https://mp.weixin.qq.com/s/OOcFzgBuI6CDfvUTGuEotw 查看次数：903
ForceMapping系统是一套专用于力学的薄膜压力分布测试系统，可测量接触面的接触压力分布情况。柔性传感器超薄的厚度（0.2mm），大量的测点（6400测点）能够将整个接触面的压力以2D、3D云图、表格的方式表现出来，方便客户更好的进行科研与检测。
ForceMapping广泛应用于：机械（航天、航空、船舶、汽车、电梯、起重机等）、土木工程（岩土、结构、桥梁、水利、环境等）、生物力学（关节、足底、步态、握力等）。
一、系统组成
ForceMapping薄膜压力分布测试系统由薄膜压力分布传感器、采集器和测试软件三部分组成。
系统优势如下：
1） 柔性传感器，可以紧贴测试表面，不影响受力结构
2） 厚度只有0.2mm，可安装在狭窄测试点
3） 单机测点数6400点，100测点/cm2最高密度，能够形成压力测试云图，能测试整个面的受力
4） 产品支持定制，最大可以实现0.9m×2.0m的面积
5） 软件功能强大，可以同时分析各种功能，还可以同时采集模拟量
l 薄膜压力分布传感器
1） 厚度：0.2mm
2） 柔性传感器：可弯曲，不影响被测物结构
3） 量程：20kPa\10MPa\50MPa等
4） 测点：6400左右，上百种形状规格
5） 面积：27mm×27mm～约1m2
l FMAP-360薄膜压力分布数据采集仪
1) 采样率：1～100Hz
2) 测点数：最大80×80测点（根据薄膜压力传感器）
3) A/D：16位
4) 通讯方式：以太网接口
5) 模拟量信号通道：4路
6) 主机长宽高尺寸：272mm×68mm×40mm
7) 导线延长度：0.5m、2m、5m、10m （长度可定制）
8) 供电：12-24V电源供电
9) 接口丰富，配有4个模拟量通道、4个数字量通道
10) 加转接器转接后支持桥路：全桥、1/2、1/4桥；可以测量：应变片，载荷传感器，加速度传感器、位移传感器、温度传感器等
l ForceMapping 分析软件
1) 显示：2D、3D、等高线，实时传感器数据同步显示
2) 数据存储：压力数据快照、AVI视频、CSV导出
3) 数据回放：视频回放、播放速度调节、编辑帧
4) 设置参数：数据单位、采样率、图像导出、数据处理、校准处理
5) 分析功能：最大、最小、平均、峰值、记录重心偏移及重量分布、不同区域压力随时间的变化曲线
二、薄膜压力分布测试原理
l 传感器内部构造
将感应压阻墨水按纵向与横向印刷在传感器的基底聚酯材料上，纵向感应印刷一面，横向感应印刷一面，当这个区域受压后，横向感应条与纵向感应条交叠，产生电阻输出，通过测量变化后的电阻值，算出施加的压力值。
l 采集电路实现原理
1） 纵向感应去与横向感应区叠交成为一个测点
2） 这个测点通过控制电路控制锁住接入放到电路，把电阻值调制成电压值
3） 电阻转为电压值与压力值成正比例，电压值介入A/D采样电路，转变为数字量在电脑软件中显示
三、岩土工程应用案例
1、曲面土压力测量研究
岩土工程现场及室内模型试验中常用刚性土压力盒测量土压力，但传统刚性土压力盒（SPC）由于隔膜下陷、 “嵌入”效应、不能完全贴合测量表面、需要较大的埋设空间等自身局限性，在测量例如桩或埋地管道等弯曲表面土 压力时并不适用。基于薄膜压力传感器（FSR）的特点设计了测量电路和标定装置，分析了标定特性，并初步探究了挠 度对薄膜压力传感器（FSR）测量的影响，最后通过试验对比分析了传统刚性土压力盒（SPC）和薄膜压力传感器（FSR） 测量弯曲表面土压力的性能。结果表明薄膜压力传感器（FSR）能有效避免“嵌入”效应，减小测量误差，并且安装方便。
-引自《薄膜压力传感器（FSR）曲面土压力测量研究》刘开源，许成顺*，贾科敏，张小玲
2、隧道土压力模拟测试
测试亮点：
l 测点多，矩阵分布：单个多点薄膜压力传感器2000测点，直观反映压力分布情况
l 动态记录
l 0.2mm厚度：防止受压侧滑
l 色阶显示力值大小
l 可做重复性实验
使用仪器：
l 5315型多点薄膜压力传感器传感器
l MFF单点薄膜压力测试系统
l 201型单点薄膜压力传感器
3、隧道压力分布测试
测试亮点：
l 测点多，矩阵分布：分布式薄膜压力传感器6400测点，矩阵分布直观反映压力分布情况
l 动态记录
l 0.2mm厚度：防止受压侧滑
l 色阶显示力值大小
l 可做重复性实验
4、井壁压力测试
针对单层井壁在壁后注浆阶段混凝土接茬处漏浆现象严重，无法获得良好的注浆堵水 效果的问题，采用数值模拟计算与物理实验相结合的研究方法，提出一种在井壁浇筑阶段 预埋可膨胀空心胶管，通过液力使其膨胀与混凝土面充分接触，在井壁接茬面获得连续的 环向密封面，使浆液难以泄漏至井壁内侧、达到改善注浆效果的目的。
在注浆过程中使用可膨胀胶管可有效地封堵浆液，胶管内压、胶管壁厚可选择较小的数值，因为在胶管内压、壁厚一定的情况下，胶管的密封能力会随着注浆压力的增加而变强，其最大接触应力值会始终大于注浆压力值，这也是O型密封圈实现密封功能的前提。
-引自《单层井壁接茬注浆堵漏技术研究 》鹿泉
5、煤矿垮塌模拟测试案例
测试亮点：
l 模拟测试：采煤过程中岩层的不同层面垮塌断裂时对采煤层的压力分布情况；
l 实验影响小：0.2mm传感器不影响断裂垮塌
l 测点多：1张传感器2016测点，矩阵分布充分反映压力分布情况
使用仪器：
l FORCEMAPPING薄膜载荷测量系统
l 6360型多点薄膜压力传感器
6、落石对廊道结构的影响
落石是瑞士山区最常见的自然灾害之一。混凝土保护廊道用于保护当地基础设施和救生索免受这些潜在的岩石影响。在这些廊道上铺设垫层材料以吸收落石冲击能量，这是保护廊道设计的主要输入参数之一。已经尝试通过在廊道上放置更好的阻尼材料来减少冲击能量。高岩石冲击能量范围很难在实验室规模上建模。由于所涉及的高成本以及潜在测试的奇异性，通常避免现场测试。在岩土离心机的帮助下，可以在实验室规模上实现原型能级。保护廊道的仪器模型在高g水平下旋转，从而增加材料的单位重量。在适当的缩放定律的帮助下，可以实现原型能级。本文主要研究特定能量落石的冲击力和在廊道中产生的力的确定。比较了不同能量范围和垫层材料下岩石的最大加速度值和廊道的挠度。随后将测试结果与使用有限元程序LS-DYNA的数值建模进行比较。
-引自《Rockfall impact on protection galleries 》R. Chikatamarla, J. Laue, S.M. Springman
7、离心机岩土压力分布测试
测试亮点：
l 测试离心力对土体产生的压力分布情况，并能够以力的云图形式显示。
l 0.2mm厚度：防止受压侧滑
l 软件实时显示土里各个点压力的变化情况，以及实时的压力值
l 可做重复性实验
使用仪器：
l 5315型多点薄膜压力传感器传感器
l MFF单点薄膜压力测试系统
l 201型单点薄膜压力传感器
8、混凝土浇筑测试
测试亮点：
l 测试混凝土打印过程中的压力分布数值与图像
l 采集混凝土打印外形图像
l 多种量程传感，传感器最大量程达到 50Mpa
l 压力分布图像能够以 2D 云图的形式显示受力分布，清晰直观
使用仪器：
l 6120型多点薄膜压力传感器传感器
l 测点数 2880 测点，
l 120x150mm 感应区域
l 采样率 1~100Hz，支持动静态测试
9、土工试验中的应用
l 传感器各层均为柔软材料，且总厚度可低至 0.1 mm，将此传感器置于土中时对土体的干扰将极大地降低。
l 该薄膜传感器的测压单元的长度和宽度可小至 0.2 mm。鉴于实际工程中砂的平均粒径约为 0.2～2 mm，宽度为 0.2 mm 的测压单元的测量值即可反映砂土颗粒间作用力的相对大小。
l 该薄膜压力传感器每平方厘米的区域内测压单元的数量可达 248 个，便于对土颗粒间作用力的分布进行统计学分析。
10、土壤、砂堆压力分布测试
用于监测砂堆结构的压力分布情况。
测试内容：
l 受力分布
l 长期监测
系统优势：
l 实时、准确地监测沙堆结构的状态
l 为安全维护提供重要数据支持。
评估土壤中应力分布的常用方法依赖于使用埋入式或表面安装式测压元件。这些测量很难执行，并且它们捕捉应力变化的能力有限。
一种相对较新的技术利用了柔性的、基于网格的触觉压力传感器，允许测量彼此接近的大量点处的应力，从而提供了真实的正应力分布。它们的薄（0.1mm）柔性薄膜克服了刚性称重传感器引入的刚度变化的影响，从而允许更好地代表现有应力条件的测量。触觉压力技术在土壤中的应用由于其创新的操作原理而需要适应和校准。提供了过去十年中开展的工作的例子。所提出的研究涉及土壤力学的三个主题：（i）颗粒尺寸对沿固体表面边界测量应力分布的影响，（ii）砂堆下的压力梯度，以及（iii）刚性条形基脚下的接触应力。
-引自《The Use of Tactile Sensor Technology for Measuring Soil Stress Distribution 》Samuel G. Paikowsky1, Chris J. Palmer2, and Lawrence E. Rolwes3
砂堆底部应力的降低表现出颗粒材料已知的制备依赖性。通过使用基于网格的触觉压力传感器，我们仔细测量了通过将米粒漏斗输送到传感器上形成的锥形桩底部压力文件的逐渐发展。在小流量下观察到应力显著降低，但在大流量下逐渐消失。这一结果有助于理解砂堆内部的应力分布。
-引自《The influence of flow rate on the decrease in pressure beneath a conical pile 》Jianguo Liu, Qicheng Sun ⁎, Feng Jin
11、砂土介质标定
土压力的精确测量在岩土工程领域有重要作用。传统土压力盒体积大，对土体完整影响较大，薄膜压力传感器是一种新型测量土压力的仪器，厚度薄、灵敏度高。薄膜压力传感器应用过程中需要根据实际使用情况进行标定。本文通过自主研制的标定筒研究薄膜压力传感器在砂土介质中的标定效果，并将砂标结果与厂标结果进行对比。采用同一薄膜压力传感器对不同相对密度的砂土进行了标定，结果表明，砂标结果值大于厂标结果值，砂土的相对密度越大，标定系数越小。
如需获得更多信息，请联系瑞科（广州）仪器科技有限公司。