High Speed I-Scan – system do błyskawicznych pomiarów

Bardzo skomplikowane pomiary siły i nacisku to dziedzina, w której specjaliści i urządzenia amerykańskiej firmy Tekscan nie mają sobie równych. Oferowane przez firmę czujniki oraz kompletne systemy pomiarowe znajdują zastosowanie w ogólnie rozumianym przemyśle, medycynie, w tym również w stomatologii. Dzięki elastyczności systemów realizowane są tak nietypowe aplikacje jak mierzenie siły ukąszenia przez jaszczurki. W poniższym artykule zostanie omówiony system pomiarowy High Speed I-Scan stosowany w pomiarach wymagających dużej częstotliwości oraz dokładności.

High Speed I-Scan jest udoskonaloną wersją systemu pomiaru ciśnienia i siły I-Scan, który obsługuje szybsze prędkości skanowania (do 20.000 Hz). System idealnie nadaje się do pomiaru dużej siły uderzenia, szczególnie w sztukach walki i testach zderzeniowych. Ze względu na swoją zdolność rejestrowania bardzo szybkich zdarzeń o wysokiej częstotliwości, czujniki I-Scan zostały przedstawione w różnych programach telewizyjnych, w Polsce w znanej produkcji stacji Discovery Channel oraz Discovery Science „Pogromcy mitów”.

Na system pomiarowy High Speed I-Scan składa się elektronika skanująca Tekscan, oprogramowanie  oraz opatentowane, cienkowarstwowe czujniki ciśnienia.(rys. system)

Uchwyt  czujnika  typu  Evolution  Handle  stanowi  część  elektroniczną  całego  systemu Tekscan. Umożliwia połączenie foliowego czujnika nacisku z komputerem PC poprzez port USB – uchwyt ten posiada zintegrowany przewód USB. Zbiera on informacje z czujnika i przesyła  je  w  postaci  cyfrowej  do  komputera  PC,  na  którym  zainstalowane  jest oprogramowanie I-SCAN  umożliwiające  wizualizację,  archiwizację  oraz  dalszą  analizę wyników.

System High Speed I-Scan zawiera oprogramowanie badawcze pracujące w oparciu o platformę Microsoft Windows,  powiązany  sprzęt  i  opatentowane  czujniki  firmy  Tekscan.  System  jest  tak wszechstronny, że umożliwia kopiowanie danych o rozkładzie nacisku i wklejanie ich do innych aplikacji (np. MS Excell), zachowywanie ich jako plik tekstowy (ASCII) i eksportowanie do innych programów lub też drukowanie na dowolnej drukarce kompatybilnej z systemem Windows. Poza  tym  program  ten pozwala na rejestrację pomiarów do odpowiednich plików, m.in. plików z rozszerzeniem *.avi, które  pozwalają  na  zamieszczanie  wyników  badań  między  innymi  w  prezentacjach multimedialnych.  Zapisane  pliki  z  rozszerzeniem *.fsx  umożliwiają  ponowne  odtworzenie pomiarów w programie I-SCAN w celu głębszej ich analizy.

Wybór odpowiedniego czujnika zależy od wymagań konkretnej aplikacji. Czujniki ciśnienia Tekscan mają ~ 5 mikrosekundowy czas reakcji, zapewniając prawie natychmiastowe przesyłanie danych. High Speed I-Scan wykorzystuje opatentowane cienkowarstwowe, dotykowe czujniki ciśnienia, które łatwo mieszczą się w ciasnych przestrzeniach, np. pod zgięciami stawów. Czujniki te mają postać matrycy, dlatego nazywane są matami pomiarowymi.

Każda taka mata składa się z pojedynczych punktów pomiarowych (tzw. senseli) - maty o najwyższej rozdzielczości mają aż 248 punktów pomiarowych na 1cm². Najczęściej stosowanymi czujnikami w systemie High-Speed I-Scan są modele 9500 i 9550, które charakteryzują się mniejszą liczbą punktów pomiarowych umieszczonych na macie, pozwalając przez to na uzyskanie większej szybkości przetwarzania danych pomiarowych. Zakres mierzonego ciśnienia dla modelu 9500 wynosi 1,200 do 2,000 psi.

Zastosowania

Kluczowymi cechami charakteryzującymi system High Speed I-Scan są szybkie, dokładne i powtarzalne pomiary, trwałość i możliwość wielokrotnego użytkowania, łatwa konfiguracja i przenośność systemu. Te znakomite właściwości sprawiają, że jest to idealny system do testów zderzeniowych.

Najczęściej wykonywanymi testami zderzeniowymi są testy w zderzeniu czołowym, gdyż badania statystyczne na całym świecie wykazują, że jest to najczęstszy rodzaj wypadku. Producenci samochodów wykonują testy elementów konstrukcyjnych jak ramy pojazdów czy zderzaki jak i elementów wewnętrznych, do których można zaliczyć m.in. fotele, zagłówki, pasy bezpieczeństwa itp. Szerokiej analizie poddaje się również zachowanie ciała człowieka w sytuacji zderzenia.

Czujniki High Speed I-Scan wykorzystuje się do testowania elementów wewnętrznych. Zespół dokonujący pomiarów umieszcza czujniki High Speed I-Scan w newralgicznych punktach na manekinach, czyli na kolanach, głowie oraz na ramionach by sprawdzić ułożenie manekinów i wpływ siły uderzenia na fantomy podczas zderzenia przy różnych prędkościach pojazdu. Wartości siły podczas zderzenia są błyskawicznie przekazywane z czujnika do uchwytu czujnika gdzie dalej są przesyłane do komputera. Dla tak wymagających aplikacji Tekscan daje także możliwość bezprzewodowego przesyłania wyników za pomocą rejestratora VersaTek bezpośrednio do komputera.

Poza testowaniem wpływu zderzenia na pasażerów za pomocą systemu High Speed I-Scan można sprawdzać jakość siedzisk i fotelików samochodowych dla dzieci czy poduszki powietrzne. Testy poduszek powietrznych są niezwykle ważne, gdyż według statystyk 35% urazów w zderzeniach to urazy głowy i twarzy, natomiast urazy gardła wynikają z rozprężania poduszek powietrznych. Dzięki wykonywaniu testów elementów ochronnych możliwe jest podniesienie poziomu bezpieczeństwa pasażerów, co wpływa na zmniejszenie śmiertelności w  wypadkach samochodowych oraz doznawanie mniej poważnych urazów pod warunkiem stosowania środków zapewniających bezpieczeństwo jazdy przez pasażerów.

Innym ciekawym zastosowaniem dla systemu pomiarowego High Speed I-Scan są testy kasków i odzieży ochronnej w sztukach walki jak również innych rodzajach sportu wymagających ochraniaczy. W takich aplikacjach umieszcza się czujniki w miejscach potencjalnie najbardziej narażonych na obrażenia, a następnie  działa się na nie siłą by określić zakres możliwych urazów oraz stopień ochrony jakie daje odzież ochronna. Poza sztukami walki można również testować ochraniacze na kostki noszone przez piłkarzy grających w piłkę nożną czy na przykład ochraniacze noszone przez sportowców uprawiających hokej lub futbol amerykański.

Potencjalną aplikacją w której można zastosować system pomiarowy High Speed I-Scan jest testowanie różnego rodzaju automatów do gier dla parków rozrywki, w których zwiedzający mogą sprawdzić swoją siłę uderzenia pięścią czy młotem. System pomiarowy High Speed I-Scan doskonale sprawdzi się również w badaniu różnego rodzaju drgań, w których potrzebny jest bardzo szybki pomiar sił czy ciśnienia.