CN105738031A - 一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其包括基座、上盖，所述上盖具有一上表面与下表面，所述的上盖的下表面有一向上呈正方形的凹槽，沿所述凹槽的边缘处安装有密封圈；所述的上盖的下表面与基座贴合使所述上盖的凹槽与基座之间形成一密封腔体；所述上盖的上表面安装有分别与密封腔体连通的充气阀、安全气阀和标准气压传感器。本发明能够保证待测传感器的各个压力敏感点在同一时刻受到相同大小的压力，从而保证了标定精度，提高待测传感器使用时的测量精度；同时通过安全气阀保证了标定操作过程的安全性；通过外接的数据采集分析设备使得标定过程自动化、智能化；本发明标定装置结构精密，安全可靠。

Description

一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及到压力传感器技术领域，特别涉及一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置及标定方法。

背景技术

随着现代科技的发展，需要测量柔性接触面上的作用力大小和分布的应用需求也越来越广。例如，汽车座椅舒适性的研究，需要测量人体与座椅之间的动态压力分布，动态调整座椅姿势，寻找符合人体生物力学特征的最舒适的压力分布。大面积，高密度的柔性阵列压力传感器有越来越广的用途和不可替代的作用。

柔性阵列压力传感器，可用于测量柔性接触面表面作用力的大小和分布，一般为平面结构，具有普通阵列式传感器的优点，良好的柔韧性，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂形状的零件进行检测，广泛应用于工业和医疗无损检测、机器人、生物力学研究等领域。

典型的柔性阵列压力传感器，如美国Tekscan公司所研制的柔性阵列压力传感器，由两层很薄的聚酯薄膜组成，两层薄膜的内表面分别印刷列导线和行导线，当两片薄膜叠合在一起的时候，行导线与列导线互相交叉，从而形成了一块具有若干个行和列交叉的点所构成的点阵。阵列中每个点都是一个由特殊的压敏半导体材料构成的压力敏感点，当外力作用到敏感点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例的变化，进而可以使用它来对大面积接触受力进行检测。除了上述的Tekscan公司外，还有美国的SPI，比利时RSscan等知名公司也在生产和使用柔性阵列压力传感器。由于这些阵列传感器大都是采用特殊的材料制作而成，具有形状可弯曲的特性，可以在非平面的场合检测分布式压力，近年来在各大领域得到了越来越广的应用。在国内，中国科学院合肥智能机械研究所研制的用于“数字跑道”和“数字跑鞋”的柔性阵列压力传感器，采用的也是特殊压敏材料制作成的类似的传感器。

但是，不管是采用什么工艺，什么生产流程，使用压敏半导体材料制作成的传感器阵列，具有大面积，高密度的特性，一块传感器甚至有90000个敏感点，若采用人工逐点标定的方法，标定工作量将十分巨大，不仅耗时而且也很难确保标定的精度。实际生产中，不可能采用人工逐点标定法对大面积的柔性阵列压力传感器进行标定。因此，目前迫切需要一种能对同一个阵列压力传感器上所有压力敏感点同时进行统一标定的装置和相应的标定方法，并且要求这种装置和标定方法具有快速准确和自动化的特点。

经检索，目前有许多关于平面传感器标定装置的专利文件，其中CN101281073A中公布了一种平面阵列力学传感器的标定装置和方法，该专利使用步进电机控制加力探头位置，可在垂直方向施加压力，这也是逐个对压力敏感点进行标定，若一块平面阵列传感器上有成千上万个敏感点，则工作量是十分巨大，非常耗时的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其包括基座、上盖，所述上盖具有一上表面与下表面，所述的上盖的下表面有一向上呈正方形的凹槽，沿所述凹槽的边缘处安装有密封圈；

所述的上盖的下表面与基座贴合在一起时，所述上盖的密封圈与所述基座紧密贴合，使所述上盖的凹槽与所述基座之间形成一密封腔体，所述密封腔体用于放置待标定的柔性阵列压力传感器；

所述上盖的上表面安装有一充气阀、安全气阀和标准气压传感器，所述充气阀、安全气阀和标准气压传感器分别与所述密封腔体内部连通并密封固定在所述上盖的上表面。

较佳地，所述上盖与基座通过多个贯穿的定位固定螺栓孔与螺栓进行固定密封。

较佳地，所述的上盖的上表面正前方设有一拉手杆，所述的拉手杆与上盖固定在一起。

较佳地，所述基座与上盖结合后所述基座露出一外边缘，所述基座的外边缘设有多个螺栓孔，用于固定该标定装置于外部支架上。

较佳地，所述的基座靠近凹槽边缘位置设有向下的凹缘，所述凹缘内设有引线孔，所述上盖设有与之位置相对的另一凹缘。

本发明还提供了一种柔性阵列压力传感器标定装置的标定方法，其包括以下步骤：

ⅰ)将待标定的柔性阵列压力传感器放置在基座的正中央；

ⅱ)将上盖的下表面与基座贴合，使上盖的密封圈与所述基座紧密贴合，从而使上盖的凹槽与基座之间形成一个密封腔体；

ⅲ)将充气阀与气泵通过橡皮囊相连接；

ⅳ)将待标定的柔性阵列压力传感器的满量程分成若干个等间隔标定点，按以下步骤进入对应等间隔标定点的加压标定过程和泄压标定过程；

ⅴ)首先获取待标定传感器量程的零点，根据ⅳ)中设置的等间隔标定点量程，打开充气阀，通过气泵向密封腔体内注入气体，按照等间隔标定点的气压从最小设定值到最大设定值顺序依次增大密封腔体内的气压值，同时记录各个等间隔标定点在对应气压值下待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值和标准气压传感器的压力输出值，完成加压标定过程；完成等间隔标定点中最大气压值后，通过充气阀的开关放气，按照气压从最大设定值到最小设定值顺序依次减小密封腔体内的气压值，同时记录各个等间隔标定点在对应气压值下待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值和标准气压传感器的压力输出值，完成泄压标定过程；

ⅵ)重复步骤ⅴ)若干次，完成若干组数据的采集；

ⅶ)取采集到的各组数据的平均值，根据待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值与标准气压传感器的压力输出值之间的关系，计算得到待标定柔性阵列压力传感器的标定系数，完成标定。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置在利用充气阀向腔体中加气时，能够保证待测传感器的各个压力敏感点在同一时刻受到相同大小的压力，从而保证了标定精度，提高待测传感器使用时的测量精度；此外，发明装置中的安全气阀保证了标定操作过程的安全性；

(2)本发明装置外接的数据采集分析设备依靠记录的待标定传感器的输出电压值和标准气压传感器的压力输出值自动计算待测传感器各个压力敏感点的标定系数，得到标定系数矩阵，使得标定过程实现自动化、智能化；

(3)本发明标定装置结构精密，安全可靠；本发明装置配套的标定方法操作便捷，计算标定系数方法科学、快速；因此，本发明为大面积、平面式压力传感器的快速、安全、科学、自动精准标定提供了一种新的标定装置及方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气压式柔性阵列压力传感器标定装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气压式柔性阵列压力传感器的标定方法流程示意图；

图3为待标定传感器在标定过程中标准气压传感器的压力输出值与待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其包括基座6、上盖1，上盖1具有一上表面与下表面，上盖1的下表面有一向上呈正方形的凹槽，沿所述凹槽的边缘处安装有密封圈7；本实施例中上盖1的凹槽周围贴有两圈密封圈7，用于密封，防止上盖1与基座6没有贴紧，产生空隙；

上盖1的下表面与基座6贴合在一起时，上盖1的密封圈7与基座6紧密贴合，使上盖1的凹槽与基座6之间形成一密封腔体，所述密封腔体用于放置待标定的柔性阵列压力传感器；本实施例中上盖1与基座6相对应处有若干个贯穿的定位固定螺栓孔8，可插入固定螺栓12来紧固上盖1与基座6；

上盖1的上表面安装有一充气阀2、安全气阀4和标准气压传感器3，充气阀2、安全气阀4和标准气压传感器3分别与所述密封腔体内部连通并密封固定在上盖1的上表面。

本实施例中，基座6是一块表面平整的长方体，基座6在贴近多个定位固定螺栓孔8且靠近基座6中心的一侧设有向下的第一凹缘10，第一凹缘10位于凹槽边缘位置，本实施例中，第一凹缘10的数量为两个，分别设于凹槽的长边与短边边缘位置处，第一凹缘10设有引线孔，用于传感器传输线通过；同时在上盖1设有与之对应的第二凹缘11。

本实施例中基座6的表面积大于上盖1的面积，其中基座6与上盖1结合后基座6露出一外边缘，基座6的外边缘设有多个支架螺栓孔9，用于固定该标定装置于外部支架上。

本实施例中上盖1的上表面正前方有一个拉手杆5，拉手杆5与上盖1固定在一起，便于打开和关闭上盖1。

本实施例中，上述的上盖1与基座6均采用一种结构坚固的钢材料构成，表面光滑。当然，本发明也可以采用其他表面足够光滑且结构强度高的材质代替钢材料，本实施例仅为本发明的一个较佳的实施方式。

如图2所示，本发明实施例提供的柔性阵列压力传感器标定装置的标定方法，其包括以下步骤：

步骤100：打开电源，装置上电初始化；

步骤101：将需要标定的柔性阵列压力传感器放置在基座6的正中央，合上上盖1，并将上盖1与基座6之间通过多个贯穿的定位固定螺栓孔8插入固定螺栓12进行固定，使上盖1的凹槽与基座6之间形成一个密封腔体；

步骤102：打开充气阀2的开关，放掉密封腔体中的所有气体，外接的数据采集分析设备获取传感器在不受任何压力、处于自然状态时的零点输出值；本实施例提供的数据采集分析设备可以是电脑，或者其他便携式智能终端，本发明不做具体限定；

步骤103：待标定柔性阵列压力传感器的零点获取完成后，将待标定的柔性阵列压力传感器的满量程分成若干个等间隔标定点，以标准气压传感器的压力输出值作为等间隔标定点的参照设定值，首先从最小设定值到最大设定值的顺序加压标定，然后再从最大设定值到最小设定值顺序标定；在标定过程中，通过调节充气阀2，分别向密封腔体内注入气体进行加压标定或放掉气体进行泄压标定；

步骤104：对比标准气压传感器的压力输出值是否达到设定值，如果没有，则通过控制调节充气阀2使标准气压传感器的压力输出值等于设定值；

步骤105：当标准气压传感器的压力输出值等于设定值时，存储待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值；

步骤106：同时存储此时对应的标准气压传感器的压力输出值；

步骤107：从最小设定值到最大设定值的加压标定，再从最大设定值到最小设定值的泄压标定为一次轮回标定，单次轮回标定未完成则返回步骤103，单次轮回标定完成则进入步骤108；

步骤108：柔性阵列压力传感器的标定需要进行10次轮回，若10次轮回未完成，则返回步骤102；若10次轮回完成，则对存储的10组轮回标定数据进行分段拟合，并绘制输入-输出关系图；

步骤109：最后利用统计学方法计算得到待标定柔性阵列压力传感器的标定系数；

步骤110：最后，若没有其他的测试对象需要使用该标定装置，则关掉电源，结束本次标定和计算标定系数的过程。

本实施例提供的待标定柔性阵列压力传感器的满量程分成10个等间隔点，即分别注入的气体压强是50kpa，100kpa，150kpa，200kpa，250kpa，300kpa，350kpa，400kpa，450kpa，500kpa，本实施例通过外接的数据采集分析设备分别存储记录待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值和标准气压传感器的压力输出值；重复采集数据10次，采集到10组数据；按照传感器的应用要求，对采集到的数据进行处理，并绘制输入-输出关系图，如图3所示。

本实施例所采用的标定装置的基座总面积是80cm×80cm，上盖总的面积是70cm×70cm，可以标定最大面积为50cm×50cm的柔性阵列压力传感器。待标定的柔性阵列压力传感器，其具有以下特性：采用上下两层结构，上层和下层基底材料采用耐高温聚酯薄膜基材，在上下层接触表面形成接触电阻，该接触电阻随接触面积和接触压力增大成准线性关系。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其特征在于，包括基座、上盖，所述上盖具有一上表面与下表面，所述的上盖的下表面有一向上呈正方形的凹槽，沿所述凹槽的边缘处安装有密封圈；

所述的上盖的下表面与基座贴合在一起时，所述上盖的密封圈与所述基座紧密贴合，使所述上盖的凹槽与所述基座之间形成一密封腔体，所述密封腔体用于放置待标定的柔性阵列压力传感器；

所述上盖的上表面安装有一充气阀、安全气阀和标准气压传感器，所述充气阀、安全气阀和标准气压传感器分别与所述密封腔体内部连通并密封固定在所述上盖的上表面。

2.如权利要求1所述的气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其特征在于，所述上盖与基座通过多个贯穿的定位固定螺栓孔与螺栓进行固定密封。

3.如权利要求1所述的气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其特征在于，所述的上盖的上表面外侧边沿设有一拉手杆，所述的拉手杆与上盖固定在一起。

4.如权利要求1所述的气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其特征在于，所述基座与上盖贴合后，所述基座露出一外边缘，所述基座的外边缘设有多个螺栓孔，用于固定该标定装置于外部支架上。

5.如权利要求1所述的气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其特征在于，所述的基座靠近凹槽边缘位置设有向下的凹缘，所述凹缘内设有引线孔，所述上盖设有与之位置对应的另一凹缘。

6.如权利要求1所述的气压式柔性阵列压力传感器标定装置，其特征在于，所述待标定的柔性阵列压力传感器与标准气压传感器分别外接一数据采集分析设备。

7.一种利用权利要求1所述的气压式柔性阵列压力传感器标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

ⅰ)将待标定的柔性阵列压力传感器放置在基座的正中央；

ⅱ)将上盖的下表面与基座贴合，使上盖的密封圈与所述基座紧密贴合，从而使上盖的凹槽与基座之间形成一个密封腔体；

ⅲ)将充气阀与气泵通过橡皮囊相连接；

ⅳ)将待标定的柔性阵列压力传感器的满量程分成若干个等间隔标定点，按以下步骤进入对应等间隔标定点的加压标定过程和泄压标定过程；

ⅴ)首先获取待标定传感器量程的零点，根据ⅳ)中设置的等间隔标定点量程，打开充气阀，通过气泵向密封腔体内注入气体，按照等间隔标定点的气压从最小值到最大值顺序依次增大密封腔体内的气压值，同时记录各个等间隔标定点在对应气压值下待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值和标准气压传感器的压力输出值，完成加压标定过程；完成等间隔标定点中最大气压值后，通过充气阀的开关放气，按照气压从最大值到最小值顺序依次减小密封腔体内的气压值，同时记录各个等间隔标定点在对应气压值下待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值和标准气压传感器的压力输出值，完成泄压标定过程；

ⅵ)重复步骤ⅴ)若干次，完成若干组数据的采集；

ⅶ)取采集到的各组数据的平均值，根据待标定柔性阵列压力传感器的输出电压值与标准气压传感器的压力输出值之间的关系，计算得到待标定柔性阵列压力传感器的标定系数，完成标定。