CN107271104A - 提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统 - Google Patents

Abstract

提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，包括压力加载系统、温度加载系统、触觉力传感器标定系统、工控机。密封模拟压力罐提供温度加载、压力加载的水环境，压力加载系统由伺服电机驱动压力塞实现对密封压力罐内水的加压，实现水下触觉力传感器所处不同压强的环境，温度加载系统由水循环及水温调节装置构成，实现水下触觉力传感器所处环境不同温度值的给定，触觉力传感器标定设备置于压力罐内，包括阵列触觉力传感器固定装置及力发生装置，可实现力传感器阵列标定，工控机实现对压力、温度信息的测量控制、触觉力传感器的阵列标定以及各项数据的记录，本发明模拟了温度可变的大水深、大水压环境，具有智能化标定、可操作性强的特点。

Description

提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统

技术领域

本发明涉及压力传感器标定系统技术领域，具体涉及提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统。

背景技术

水下触觉力传感器是水下机械手等机械装置完成精细化作业的重要保证，是水下装置深海开发、深海探测等感知外界信息的重要装置。触觉力传感器一般使用扩散硅、应变片最为力敏感材料，其容易受到温度影响产生温度漂移，影响输出精度。由于深海复杂的环境，对触觉力传感器标定带来难度。温度随着水深度变化产生梯度式变化，压强也呈现线性的变化，给水下触觉力传感器的标定工作带了很大的挑战，目前还很少有水下触觉力传感器的相关报道。目前国内外对扩散硅、应变片式压力传感器的标定通常采用静态标定，但水下触觉力传感器工作于液态环境下受到水压强影响，在满足一定的水压环境又要保证标准的触觉力对触觉力传感器的给定，静态标定装置无法满足应用。

发明专利(专利号：CN 1021556022 B)公开了一种应力传感器标定系统，包括应力测试机、应力传感器及其二次仪表，所述应力测试机包括底座、杠杆支架、杠杆、砝码加载机构、上夹具和下夹具。该发明应力传感器标定系统，其应力测试机利用砝码施力，并通过砝码量值换算提供应力的标准参照值，由于应力测试机加载、卸载和保载都是通过调节砝码重量实现，砝码重量一旦确定，被测试件受力便恒定，因而力值测量精度高；同时此应力测试机的杠杆支点为轴承，承载能力强，上夹具与杠杆铰接连接、下夹具与底座铰接连接，可保证被测试件所受拉力或压力在同一直线上，从而可进一步保证所测力值的准确性，然而其结构复杂，没有考虑系统运动过程中带来的摩擦，没有考虑温度因素对传感器带来的影响，影响了其输出精度。

发明内容

为了克服上述现有产品的不足，本发明的目的在于提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，解决了温度因素对传感器带来的影响，输出精度高，具有智能化标定、可操作性强的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，包括密封模拟压力罐3，在密封模拟压力罐3内部设置有压力加载系统与储水空间13，储水空间13位于压力加载系统下部；

所述的密封模拟压力罐3底部设置有压力测量传感器12，压力传感器12将得到的压力信号传递给工控机20，工控机20控制压力加载系统改变储水空间13中的水的压强；

所述的密封模拟压力罐3下部侧面分别设置有注水阀8与排水阀10，注水阀8与排水阀10通过塑料水管18与温度加载系统相连；

所述的密封模拟压力罐3底部内侧设置有的触觉力环境实现装置触觉力标定装置11，触觉力标定装置11将测得的信号传递给工控机20。

所述的压力加载系统包括伺服电机2，伺服电机2固定在密封模拟压力罐3内部的横梁1上，伺服电机2通过加变速装置4将输出转矩转变为直线型运动转矩形式输出，驱动压力活塞5作上下移动，完成对下方储水空间13中水的压缩，伺服电机2通过工控机20控制信号。

所述的温度加载系统包括调温恒温水箱17，调温恒温水箱17上安装有测定水温的控制板16与显示屏15，调温恒温水箱17内部有注水泵与排水泵，注水泵与排水泵分别通过塑料水管18与注水阀8和排水阀10相连。

所述的触觉力标定装置11包括触觉力传感器11-1与触觉力发生装置，触觉力传感器11-1固定在支架11-2上，支架11-2的底座固定在密封模拟压力罐3底部；触觉力发生装置包括小型机械臂11-5，小型机械臂11-5上设置有驱动电机11-6，驱动电机11-6通过控制小臂11-7的伸缩实现对触觉力传感器11-1的触碰；小臂11-7内部安装有标准力觉测量装置-弹簧测力计；小型机械臂11-5固定在一条平行导轨11-3上，由电机驱动实现直线运动，平行导轨11-3由导轨底座11-4支撑。

所述的11-1为可更换结构。

所述的触觉力传感器11-1为多个依次等间距设置在支架11-2上。

所述的储水空间13侧面设置有水位测量传感器6与温度测量传感器7。

所述的密封模拟压力罐3底部设置有控制电信号交换的水密连接器9，外部电源供电模块19通过水密连接器9与密封模拟压力罐3内部电缆相连。

本发明的有益效果：

本发明主要用在水下触觉力传感器的阵列标定系统，将力传感器的输出值由线性的信号转变为真实的力信号，模拟了深水环境下大水深、大水压环境，实现了触觉力的施加，具有智能化标定、可操作性强的特点。

附图说明

图1是水下触觉力传感器阵列标定系统框图。

图2是触觉力传感器标定装置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1图2所示：提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统包括密封模拟压力罐3，压力加载系统，温度加载系统，传感器标定系统，环境测量装置，工控机20。

其中压力加载系统，温度加载系统，传感器标定系统分布于密封模拟压力罐3，通过位于密封模拟压力罐3外的工控机20实现对密封模拟压力罐3内压强、温度、触觉力的给定，实现触觉力传感器11-1上压强环境、温度环境的给定，以及加载到触觉力传感器11-1上的标准触觉力的给定，在工控机20上实现对压强、温度、触觉力信息以及触觉力传感器11-1输出值的记录。

在本发明中，密封模拟压力罐3主要承受压力部分，是水下大水深环境模拟载体。密封模拟压力罐3采用不锈钢材料制造，具有很好的水密性，抗腐蚀性和耐压性。可以承受100mPa的压力，保证了水下触觉力传感器11-1在密封模拟压力罐3内的标定环境。在密封模拟压力罐3内分别安装水位测量传感器6、温度测量传感器7、压力测量传感器12，实现对水下触觉力传感器11-1的压力、温度的测量以及储水空间13内水的容积测量。在密封模拟压力罐3下侧装有小型机械臂11-5实现对触觉力传感器11-1的阵列标定。小型机械臂11-5与密封模拟压力罐3内触觉力传感器11-1的柔性触点有信号输出，实现外部电源对内部压力供给部分、测量部分等系统供电以及对内部信号测量的输出。

密封模拟压力罐3侧上端有一块LED显示屏14，显示出密封模拟压力罐3内水位、压强、温度、时间等信息。

在本发明中的压力加载系统，主要实现对触觉力传感器11-1的压强环境给定，也是对触觉力传感器11-1的密封性、绝缘性、可靠性的条件检验。压力加载值通过工控机20控制可以实现0mPa～60mPa的压强给定，压力加载的驱动装置通过伺服电机2实现，大转矩输出通过加变速装置4实现，并将伺服电机2的转动转化为线性运动，作闭环压强控制。伺服电机2固定于横梁1上，通过伺服电机2的加变速装置4将输出转矩转变为直线型运动转矩形式输出，驱动压力活塞5作上下移动，完成对储水空间13水的压缩。密封模拟压力罐3内装有压力测量传感器12测量储水空间中水的压强值。在整个压力给定的控制过程中，工控机20通过操作者设定的压强值，及总线获取分布在密封模拟压力罐3内的压力传感器12的实际环境压力值，通过程序做PID计算，得到驱动伺服电机2的控制量，将控制量作用于伺服电机2实现闭环控制。为了防止压力值过载，通过调整PID参数实现无超调量的PID控制。压力加载系统中伺服电机2做了防水处理，并具有良好的起、制动能力，伺服电机2与加变速装置4装有O型圈，实现良好的防水效果。

在本发明中的温度加载系统，主要实现触觉力传感器11-1工作的标定温度范围，实现-10°～40°温度范围内的水环境。温度加载系统主要由密封模拟压力罐3外的调温恒温水箱17实现，调温恒温水箱17可提供标准温度的水，通过水泵排入密封模拟压力罐3内实现标准水温的水的注入。在排入水之前首先将密封模拟压力罐内的水排净，然后注入标准水温的水，通过密封模拟压力罐3底部测量水温的温度测量传感器7测量水温温度，通过工控机20读取水温温度。温度加载系统中调温恒温水箱17上装有水温控制板16，可实现温度的设置与输入。调温恒温水箱17上装有显示屏15，实现温度、水位、时间等水箱内水信息的显示。

温度加载系统中的调温恒温水箱17，是实现恒温水的关键部分。调温恒温水箱17内部与水龙头连接，可以实现自来水的注入。调温恒温水箱17内部有温度加热装置以及温度制冷装置，内部自带微控制器与温度传感器，操作者通过设定温度值将标准温度值输入给微控制器，微控制器通过测量调温恒温水箱内部水温度给出相应的控制量以实现温度加热装置以及温度制冷装置的启动，通过PID控制完成标准水温的获取。向密封模拟压力罐3注入标准温度的水，减少了密封模拟压力罐3内水温调节功能，简化了密封模拟压力罐3内的结构。

在本发明中的触觉力标定装置11，可以实现多个触觉力传感器11-1的依次标定，减少了按照顺序标定的工作量。触觉力传感器11-1标定装置主要实现对差压式应变片式或者扩散硅式传感器的标定，实现了对不同形状感知外界力信息的触觉力传感器11-1的标定。

在标定过程中，将多个触觉力传感器11-1依次排列固定在支架11-2上，支架11-2下部有底座固定于密封模拟压力罐3的底部，保证触觉力传感器11-1与水的充分接触以及与小型机械臂11-5的充分接触。触觉力发生装置由一个小型机械臂11-5实现，小型机械臂11-5由驱动电机11-6实现对小臂11-7的伸缩运动，实现对触觉力传感器11-1的触碰。小型机械臂11-5的小臂末端11-7可以更换不同的工件实现与触觉传感器11-1的良好接触。小型机械臂11-5的小臂内部装有弹簧测力计，实现机械臂与触觉力传感器11-1接触力的测量。小型机械臂11-5固定在一条平行导轨11-3上，由电机驱动实现直线运动，平行导轨由导轨底座11-4支撑。当密封模拟压力罐3内水的温度值、压强值满足标定要求时，可以通过步进电机实现小型机械臂11-5在平行导轨11-3上的移动。由于位置已知，可以实现准确的位置控制，保证小臂11-7与触觉力传感器11-1的充分接触。小臂11-7内部有步进电机实现小臂11-7的伸缩运动，保证了与触觉力传感器11-1的触觉值大小给定。通过伸出的位移量保证触觉力值的给定。小臂11-7内部装有触觉力传感器11-1实现标准触觉力值的测量。利用小型机械臂11-5触碰实现触觉力的给定，避免了用标准砝码给定标准压强值的水环境接触问题，解决了活塞式压力计在触觉力传感器11-1标定中的弊端，利用小型机械臂11-5直接触碰，通过平行导轨11-3保证触觉力传感器11-1的充分接触。

在本发明中的工控机20，完成对整个系统信息采集及控制功能。提供触觉力传感器11-1上的压强环境、温度环境，给定加载到触觉力传感器11-1上的标准触觉力，采集压强、温度、触觉力信息以及触觉力传感器11-1的输出。工控机20、电源模块19通过电缆实现与密封模拟压力罐3内传感器连接，实现了对罐内信息的数据采集，以及对罐内各单位的供电、控制功能。

本发明中的环境测量装置主要实现对水下触觉力传感器11-1所处环境的压强值测量，所处标定环境的温度值测量，对密封模拟压力罐3内水温测量，将测量数据供工控机20采集。在采集过程中水位测量传感器6与温度测量传感器7和压力测量传感器12带有滤波、抗干扰功能，消耗功率小，对整体电路系统起到节能作用。

本发明中的外部电源供电模块19，实现了对密封压力模拟罐3内各个单位的电源供电，分别使用独立电缆供电，并且加了相应抗干扰、滤波功能。外部电源供电模块带有输出电压仪表指示电压输出，内部带有电流保护实现输出保护。外部电源供电模块19位于密封压力模拟罐3外侧，与模拟罐3内侧的电缆信号通过水密连接器9连接，水密连接器9具有绝缘、防水功能，保证压力罐内电信号与压力罐外电信号的稳定连接。

密封模拟压力罐，其承受标定环境压力部分，是水下大水深环境模拟载体。在密封模拟压力罐内分别安装有水位、温度、压力测量传感器，实现对水下触觉力传感器的压力、温度的测量以及密封模拟压力罐内水的容积测量。在密封模拟压力罐下侧装有小型机械臂实现对触觉力传感器的阵列标定。小型机械臂与模拟压力槽接触端有电缆实现外部电源对内部压力供给部分、测量部分等系统供电以及对内部信号测量的输出。压力罐外侧上端有一块LED显示屏，显示密封模拟压力罐内水位、压强、温度、时间等信息。

压力加载系统，实现对触觉力传感器的0mPa～60mPa的压强环境给定。由工控机计算得到控制量控制伺服电机作闭环控制，通过伺服电机加变速装置将输出转矩转变为直线型运动转矩形式输出。模拟压力罐内装有压强传感器测量水的压强值。控制器输出信号控制伺服电机，伺服电机驱动压力活塞，压力活塞压缩水实现压力罐水压调节。

温度加载系统，主要实现触觉力传感器工作标定的温度范围，实现-10°～40°温度范围内的水环境。温度加载系统主要由压力罐外的调温恒温水箱提供标准温度的水，通过水泵泵入压力罐内实现标准水温的注入。

传感器标定系统，主要实现触觉力传感器的固定以及柔性触点触觉力的实现。其中小型机械臂的小臂末端可以更换不同的工件实现与触觉传感器的良好接触。小型机械臂的小臂内部装有标准的力觉测量装置-弹簧测力计，实现小型机械臂与触觉力传感器接触力的测量。小型机械臂固定在一条由电机驱动的平行导轨上，实现直线运动，平行导轨由导轨底座支撑。触觉力加载装置在温度和压强满足设定要求的前提下，通过移动小型机械臂实现阵列传感器的触觉力标定实验，记录此时的触觉力值、触觉传感器的输出值，温度值，压强值，完成标定实验的数据采集工作。

工控机，完成对整个系统的整体控制功能。实现对密封模拟压力罐内的压强、温度、触觉力给定，实现触觉力传感器上压强环境、温度环境的提供，以及加载到触觉力传感器上的标准触觉力的给定，在工控机上实现对压强、温度、触觉力信息的采集。工控机、电源模块通过电缆与密封模拟压力罐内传感器连接，实现了对罐内信息的数据采集，以及对罐内各单位的供电、控制功能。

环境测量装置，主要使用水位、温度、压力传感器实现对相关参数的测量。本发明环境测量装置，通过移动小型机械臂实现多只传感器的触觉力阵列标定实验，工控机记录此时的触觉力值、触觉传感器的输出值，温度值，压强值，完成标定实验的数据采集工作。本装置具有结构紧凑，触觉力连续可调，温度、压强可调的特点。

本发明的工作原理：

本发明装置在实验标定中，首先检查各个环节是否稳定可靠。在检查完好的情况下，给密封模拟压力罐3供水，供水过程通过在调温恒温水箱17上装设的温度控制板16设置温度，启动调温恒温水箱17工作。调温恒温水箱17抽取自来水，根据设定值调节加、减温装置实现对水温调节。满足温度要求后将供水阀打开，在工控机20上实现对密封模拟压力罐3供水。供水结束后，供水阀关闭。启动压力加载装置，通过在工控机20上设置相应压力值来模拟水下压强。工控机20采集水的实际压力值与标准压力值，经过PID计算获取控制量加载至驱动压强装置的伺服电机2，伺服电机2完成相应压强值给定。当满足压强与温度条件后，工控机20开始控制小型机械臂11-5依次完成对触觉力传感器11-1的触碰，触碰过程记录触觉力值、触觉力传感器11-1的输出值，环境压力值、环境温度值，在工控机20上存表格完成多传感器的同温、同压强下的触觉力标定。然后循环实现再设置新的温度、压强值完成不同温度点、压强点触觉力的标定。

Claims (8)

1.提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，包括密封模拟压力罐(3)，其特征在于，在密封模拟压力罐(3)内部设置有压力加载系统与储水空间(13)，储水空间(13)位于压力加载系统下部；

所述的密封模拟压力罐(3)底部设置有压力测量传感器(12)，压力传感器(12)将得到的压力信号传递给工控机(20)，工控机(20)控制压力加载系统储水空间(13)中的水的压强；

所述的密封模拟压力罐(3)下部侧面分别设置有注水阀(8)与排水阀(10)，注水阀(8)与排水阀(10)通过塑料水管(18)与温度加载系统相连；

所述的密封模拟压力罐(3)底部内侧设置有触觉力标定装置(11)，触觉力标定装置(11)将测得的信号传递给工控机(20)。

2.根据权利要求1所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的压力加载系统包括伺服电机(2)，伺服电机(2)固定在密封模拟压力罐(3)内部的横梁(1)上，伺服电机(2)通过加变速装置(4)将输出转矩转变为直线型运动转矩形式输出，驱动压力活塞(5)作上下移动，完成对下方储水空间(13)中水的压缩，伺服电机(2)通过工控机(20)控制信号。

3.根据权利要求1所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的温度加载系统包括调温恒温水箱(17)，调温恒温水箱(17)上安装有测定水温的控制板(16)与显示屏(15)，调温恒温水箱(17)内部有注水泵与排水泵，注水泵与排水泵分别通过塑料水管(18)与注水阀(8)和排水阀(10)相连。

4.根据权利要求1所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的触觉力标定装置(11)包括触觉力传感器(11-1)与触觉力发生装置，触觉力传感器(11-1)固定在支架(11-2)上，支架(11-2)的底座固定在密封模拟压力罐(3)底部；触觉力发生装置包括小型机械臂(11-5)，小型机械臂(11-5)上设置有驱动电机(11-6)，驱动电机(11-6)通过控制小臂(11-7)的伸缩实现对触觉力传感器(11-1)的触碰；小臂(11-7)内部安装有标准力觉测量装置-弹簧测力计；小型机械臂(11-5)固定在一条平行导轨(11-3)上，由电机驱动实现直线运动，平行导轨(11-3)由导轨底座(11-4支)撑。

5.根据权利要求4所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的(11-1)为可更换结构。

6.根据权利要求4所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的触觉力传感器(11-1)为多个依次等间距设置在支架(11-2)上。

7.根据权利要求1所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的储水空间(13)侧面设置有水位测量传感器(6)与温度测量传感器(7)。

8.根据权利要求1所述的提供温度与压强环境的水下触觉力传感器阵列标定系统，其特征在于，所述的密封模拟压力罐(3)底部设置有控制电信号交换的水密连接器(9)，外部电源供电模块(19)通过水密连接器(9)与密封模拟压力罐(3)内部电缆相连。