CN109341908A - 用柔性压敏线圈测量压力和非接触式位移的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用柔性压敏线圈测量压力和非接触式位移的方法，属于测量技术领域。在标定前，对柔性压敏线圈施加重压和多次加卸载循环以提高线圈内部导电网络的稳定性；在标定阶段，获取柔性压敏线圈的临界阻抗及其所对应的临界数字量，并得到非接触和接触阶段的标定数据；在测量阶段，比较柔性压敏线圈阻抗所对应的数字量与临界数字量的大小以确定柔性压敏线圈是否处于接触处阶段，进而用标定数据得到压力和非接触式位移。用本发明提出的方法，可提高柔性压敏线圈阻抗随压力和非接触式位移变化的重复性，并能判断出线圈的受力状态，进而实现接触和非接触阶段的测量，特别适用于现代大型设备狭小曲面层间压力和非接触式位移测量等领域。

Description

用柔性压敏线圈测量压力和非接触式位移的方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及到柔性传感器、压力测量和非接触式位移测量。
背景技术
越来越多的现代工程应用中迫切需要传感器具有纤薄柔软的特点。比如，大型设备狭小曲面层间压力与非接触式位移测量是提高装配速度和确保系统安全运行的关键，但是受到现场空间结构尺寸的限制，很难安装传统的刚性传感器。因此，需要传感器具有柔性，能够柔顺地贴附于狭小曲面层间来完成压力与非接触式位移的测量任务。由导电高分子复合材料构成的线圈具有柔韧性、压力敏感性和非接触式位移敏感性，故而能够用于制备柔性压敏线圈以实现狭小曲面层间压力和非接触式位移测量。但柔性压敏线圈内部的导电网络结构在不同加卸载循环下存在差异，进而导致较大的重复性误差，而且整个测量涉及到接触阶段和非接触阶段两个物理过程。因此，如何提高柔性压敏线圈阻抗随压力和非接触式位移变化的重复性，如何区分接触和非接触阶段以进一步实现压力和非接触式位移测量是亟需解决的关键难题。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出用柔性压敏线圈实现压力与非接触式位移测量的方法，包括以下步骤：
(1)、在标定前，对柔性压敏线圈施加大小为压力量程m倍的压力并维持k小时后卸载至零压力，然后，对柔性压敏线圈重复以下加卸载循环n次：从零压力加载至大小为压力量程的压力再卸载至零压力；将柔性压敏线圈的两端接到运算放大器输出端和反向端，将运算放大器输出端接到模数转换模块的输入端，将模数转换模块输出的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量接入微处理器；
(2)、在标定阶段，获取柔性压敏线圈由非接触阶段向接触阶段转变处的阻抗值作为临界阻抗，进而得到临界阻抗所对应的接入微处理器的数字量作为临界数字量；以非接触式位移量程的M分之一为步长设置(M+1)个非接触式位移标定点，获取非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量，进而得到非接触阶段的标定数据，并得到由相邻的非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的M个非接触阶段标定子区间；以压力量程的N分之一为步长设置(N+1)个压力标定点，获取压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量，进而得到接触阶段的标定数据，并得到由相邻的压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的N个接触阶段标定子区间；
(3)、在测量阶段，首先比较接入微处理器的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量与临界数字量的大小，如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量大于临界数字量，则先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的非接触阶段标定子区间，然后再利用非接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为非接触式位移；如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量小于临界数字量，则先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的接触阶段标定子区间，然后再利用接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为压力。
本发明的特点及效果：
用本发明提出的用柔性压敏线圈测量压力和非接触式位移的方法，可通过对柔性压敏线圈施加超过压力量程的重压和多次加卸载循环，减少柔性压敏线圈的内部导电网路中不稳定的二次结构，以使导电网络对压力的响应更加稳定，进而提高柔性压敏线圈敏感特性的重复性；通过确定柔性压敏线圈的临界阻抗，可以判定柔性压敏线圈所处的是非接触阶段还是接触阶段，进而实现用柔性压敏线圈的阻抗测量非接触式位移和压力，可以应用于大型设备狭小曲面层间非接触式位移和压力测量等领域中。
附图说明
图1为与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量随压力和非接触式位移变化的曲线。
图1中，x代表接触阶段的压力；y代表非接触阶段的位移；Xmax代表基于柔性压敏线圈的传感器能测量的最大压力(即：压力量程)，同时也是数值最大的压力标定点；Xmin代表基于柔性压敏线圈的传感器能测量的最小压力(也就是零压力)，同时也是数值最小的压力标定点；X1、X2和XN-1代表介于Xmin和Xmax之间的第1、2和(N-1)个压力标定点；Ymax代表基于柔性压敏线圈的传感器能测量的最大非接触式位移(即：非接触式位移量程)，同时也是数值最大的非接触式位移标定点；Ymin代表基于柔性压敏线圈的传感器能测量的最小非接触式位移(也就是零位移)，同时也是数值最小的非接触式位移标定点；Y1、Y2、YM-2和YM-1代表介于Ymin和Ymax之间的第1、2、(M-2)和(M-1)个非接触式位移标定点；d代表与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量；D(Xmin)、D(X1)、D(X2)、D(XN-1)和D(Xmax)代表对应于Xmin、X1、X2、XN-1和Xmax的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量；D(Ymin)、D(Y1)、D(Y2)、D(YM-2)、D(YM-1)和D(Ymax)代表对应于Ymin、Y1、Y2、YM-2、YM-1和Ymax的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量；Dc代表临界数字量，在数值上等于D(Xmin)和D(Ymin)。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明提出的用柔性压敏线圈测量压力和非接触式位移的方法：
(1)、在标定前，对柔性压敏线圈施加大小为3Xmax的压力并维持k小时后卸载至零压力，然后，对柔性压敏线圈重复以下加卸载循环n次：从零压力加载至大小为3Xmax的压力再卸载至零压力；将柔性压敏线圈的两端接到运算放大器输出端和反向端，将运算放大器输出端接到模数转换模块的输入端，将模数转换模块输出的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量d接入微处理器；
(2)、在标定阶段的各重要参数如图1所示，首先获取柔性压敏线圈由非接触阶段向接触阶段转变处的阻抗值作为临界阻抗，进而得到临界阻抗所对应的接入微处理器的数字量作为临界数字量Dc；以非接触式位移量程Ymax的M分之一为步长设置(M+1)个非接触式位移标定点Ymin、Y1、Y2、…、YM-2、YM-1、Ymax，获取非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量D(Ymin)、D(Y1)、D(Y2)、…、D(YM-2)、D(YM-1)、D(Ymax)，进而得到非接触阶段的标定数据，并得到由相邻的非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的M个非接触阶段标定子区间；以压力量程Xmax的N分之一为步长设置(N+1)个压力标定点Xmin、X1、X2、…、XN-1、Xmax，获取压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量D(Xmin)、D(X1)、D(X2)、…、D(XN-1)、D(Xmax)，进而得到接触阶段的标定数据，并得到由相邻的压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的N个接触阶段标定子区间；
(3)、在测量阶段，首先比较接入微处理器的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量d与临界数字量Dc的大小，如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量d大于临界数字量Dc，则利用非接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为非接触式位移y，具体方法如下：先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的非接触阶段标定子区间，然后利用非接触阶段标定子区间两端点处的标定数据和与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量d通过线性插值法获取非接触式位移值；如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量d小于临界数字量Dc，则利用接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为压力x，具体方法如下：先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的接触阶段标定子区间，然后利用接触阶段标定子区间两端点处的标定数据和与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量d通过线性插值法获取压力值。
实施例
(1)、在标定前，对量程为1MPa的柔性压敏线圈施加3MPa的压力并维持2小时后卸载至0MPa，然后，对柔性压敏线圈重复以下加卸载循环30次：从0MPa加载至1MPa再卸载至0MPa；将柔性压敏线圈的两端接到运算放大器输出端和反向端，将运算放大器输出端接到模数转换模块的输入端，将模数转换模块输出的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量接入微处理器；
(2)、在标定阶段，获取柔性压敏线圈由非接触阶段向接触阶段转变处的阻抗值作为临界阻抗，进而得到临界阻抗所对应的接入微处理器的数字量作为临界数字量；以非接触式位移量程的八分之一为步长设置9个非接触式位移标定点，获取非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量，进而得到非接触阶段的标定数据，并得到由相邻的非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的8个非接触阶段标定子区间；以压力量程的五分之一为步长设置6个压力标定点，获取压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量，进而得到接触阶段的标定数据，并得到由相邻的压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的5个接触阶段标定子区间；
(3)、在测量阶段，首先比较接入微处理器的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量与临界数字量的大小，如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量大于临界数字量，则利用非接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为非接触式位移，具体方法如下：先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的非接触阶段标定子区间，然后利用非接触阶段标定子区间两端点处的标定数据和与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量通过线性插值法获取非接触式位移值；如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量小于临界数字量，则利用接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为压力，具体方法如下：先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的接触阶段标定子区间，然后利用接触阶段标定子区间两端点处的标定数据和与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量通过线性插值法获取压力值。

Claims (1)

1.一种用柔性压敏线圈测量压力和非接触式位移的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)、在标定前，对柔性压敏线圈施加大小为压力量程m倍的压力并维持k小时后卸载至零压力，然后，对柔性压敏线圈重复以下加卸载循环n次：从零压力加载至大小为压力量程的压力再卸载至零压力；将柔性压敏线圈的两端接到运算放大器输出端和反向端，将运算放大器输出端接到模数转换模块的输入端，将模数转换模块输出的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量接入微处理器；
(2)、在标定阶段，获取柔性压敏线圈由非接触阶段向接触阶段转变处的阻抗值作为临界阻抗，进而得到临界阻抗所对应的接入微处理器的数字量作为临界数字量；以非接触式位移量程的M分之一为步长设置(M+1)个非接触式位移标定点，获取非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量，进而得到非接触阶段的标定数据，并得到由相邻的非接触式位移标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的M个非接触阶段标定子区间；以压力量程的N分之一为步长设置(N+1)个压力标定点，获取压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量，进而得到接触阶段的标定数据，并得到由相邻的压力标定点处的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所构成的N个接触阶段标定子区间；
(3)、在测量阶段，首先比较接入微处理器的与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量与临界数字量的大小，如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量大于临界数字量，则先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的非接触阶段标定子区间，然后再利用非接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为非接触式位移；如果与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量小于临界数字量，则先确定与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量所在的接触阶段标定子区间，然后再利用接触阶段的标定数据将与柔性压敏线圈阻抗相对应的数字量转换为压力。
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