CN109696275A - 具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器标定技术领域，并公开了一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，可实现对压力传感器的快速标定。本发明具有快调节和微调节两种调节机制：通过控制快调节旋钮，快调节齿轮带动齿条使得下滑台和压力触头快速下移；通过控制微调节旋钮，微调节齿轮通过与快调节齿轮的啮合关系带动齿条使得下滑台和压力触头缓慢下移。本发明在对压力传感器进行标定前需要对标定装置进行调零，在完成初始调零后，还可以对调零精度进行自我校正。基于本发明还可以搭建压力传感器标定实验系统，该系统能够输出压力传感器的曲线拟合表达式，完成对压力传感器的最终标定。本发明极大的降低了标定的周期和成本，能够满足科学研究的及时性要求。

Description

具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置

技术领域

本发明属于传感器标定技术领域，尤其涉及一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置的结构设计。

背景技术

机器人灵巧手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，主要用于对目标物体的抓持和空间移动，其通过控制可以准确的在各种环境中完成预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，体现了人手的智能性和自适应性。

触觉传感器可以为机器人灵巧手的人机交互提供必要的信息支持，是机器人灵巧手获取环境信息的重要方式。虽然机器人可以通过其他感知形式(如视觉)来协助操作，但是触觉传感器能够提供接触目标更多的物理信息(如硬度、温度等)。同时，触觉传感器还可以为机器人灵巧手的精细抓取操作提供帮助，获取灵巧手与目标间的接触力、接触位置等重要信息，提高抓取能力。

压力传感器是机器人灵巧手广泛使用的一类重要的触觉传感器，其可以检测机器人灵巧手实现稳定抓持所需要的力信息，而压力传感器的标定是影响其采样数据精度的重要因素。通过查阅公开的文献和专利，发现鲜有针对机器人灵巧手压力传感器标定而设计的简单有效的实验装置。哈尔滨工业大学的博士论文《操作感知一体化灵巧假手机构及滑动控制的研究》提及一种借助第三方的六维力传感器来辅助标定的技术方案，该方案能够实现对压力传感器的标定，但是所采用的六维力传感器价格昂贵，动辄上万元，且该六维传感器购买周期长，导致该方案复现成本高、制作周期长，不利于推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，能够实现对压力传感器的精准标定，解决了现有技术中实验装置的制作成本高、周期长的问题。此外，该装置结构简单，操作简便，更加适于实际使用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

本发明设计的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，包括电子秤、压力传感器、标定装置、砝码、角架，其特征在于：

所述电子秤置于标定装置的基座上，所述压力传感器粘附在电子秤的中心位置，所述标定装置包括：基座，卧式光轴支架，光轴，下滑台，压力触头，上滑台，载物台，连接架，两级调节齿轮组，顶盖。

所述基座为长方形构件，四个顶角做圆角处理，设置有3组卧式光轴支架的定位孔，以及2组角架的定位孔。

所述卧式光轴支架将光轴固定在基座和顶盖之间。

所述光轴包括3根在竖直方向相互平行的光轴，光轴下端被卧式光轴支架固定，通过螺栓与基座连接；光轴上端同样被卧式光轴支架固定，通过螺栓与顶盖连接。

所述下滑台包括：前面板、后面板、直线轴承、紧固孔、角架固定孔，直线轴承内嵌在前面板和后面板中间的凹槽，分别连接两根光轴，紧固孔利用螺栓将前面板和后面板连接，角架固定孔利用螺栓与角架连接。

所述压力触头包括：压力触头杆、压缩弹簧，压力触头杆利用螺栓固定在上滑台的下端，压缩弹簧套在压力触头杆上，其下端与下滑台接触。

所述上滑台包括：前面板、后面板、直线轴承、紧固孔、载物台固定孔，直线轴承内嵌在前面板和后面板中间的凹槽，直线轴承连接光轴，紧固孔利用螺栓将前面板和后面板连接，载物台固定孔利用螺栓与载物台连接。

所述载物台为圆形构件，利用螺栓与上滑台连接。

所述连接架包括：前面板、后面板、直线轴承、齿条、紧固孔、角架固定孔，直线轴承内嵌在前面板和后面板中间的凹槽，直线轴承连接光轴，齿条利用角架固定在连接架的侧面，固定孔利用螺栓与角架连接。

所述两级调节齿轮组包括：前支架，后支架，微调节旋钮，固定轴、、微调节齿轮、快调节旋钮、快调节齿轮，前支架和后支架通过角架固定在基座上。

所述顶盖为三角形构件，三个顶角做圆角处理，每个顶角内侧都设置有卧式光轴支架的定位孔。

所述角架包括三种类型不同规格的角架，分别用于下滑台和连接架的连接、连接架和齿条的连接、两级调节齿轮组和底座的连接。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：压缩弹簧初始为压缩状态。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：压缩弹簧要能够支撑压力触头、上滑台、载物台和砝码的整体重量，选用具有弹性好、刚度大等优点的模具弹簧。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：两级调节齿轮组具有快调节和微调节两种机制：通过控制快调节旋钮，快调节齿轮带动齿条使得下滑台和压力触头快速下移；通过控制微调节旋钮，微调节齿轮通过与快调节齿轮的啮合关系带动齿条使得下滑台和压力触头缓慢下移。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：微调节齿轮和快调节齿轮的模数和齿数影响调零的精度和下滑台的位移响应速度：为了保证啮合，通常齿轮的模数相同；当模数相同时，齿数比越大，调零精度越高，但下滑台的位移响应速度越慢。在实际使用中，要平衡调零精度和下滑台的位移响应速度的需求关系，选择合适的模数和齿数。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：采用直线轴承和光轴配合的传动方式，可以在很大程度上排除摩擦干扰。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：角架在与基座连接的一面设计有长条形安装孔，角架与两级调节齿轮组利用螺栓固定连接后，调节长条形安装孔到合适的位置，可以实现快调节齿轮和齿条的啮合。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：本发明实施例在对压力传感器标定前需要进行调零，具体操作如下：

1)将标定装置放置于水平桌面；

2)将电子秤和压力传感器按照要求放置在预定位置，电子秤需要一步去皮操作，此时，电子秤显示为零；

3)调节两级调节齿轮组，带动下滑台下移；

4)当下滑台下移足够的位移后，压力触头接触压力传感器，并作用于电子秤，此时，电子秤显示为大于零的数值；

5)正反向反复微调两级调节齿轮组，找到令电子秤的显示由零发生突变的位置，即为调零过程的零点位置，完成调零过程。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：本发明实施例能够实现对上述调零精度的自我校正，具体操作如下：

1)完成初始调零后，在载物台上依次放置不同规格的标准砝码，记录每种规格的砝码对应的电子秤的测量值；

2)计算电子秤的测量值与标准砝码的标称值之间的误差；

3)根据误差的范围对调零精度进行评价。

4)调零精度达到要求，则进行后续的标定步骤；反之，则重新进行调零过程。

本发明所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征还在于：基于本发明实施例可以搭建包括标定装置、Arduino数据采集板和安装有Labview软件和MATLAB 软件的工控机的压力传感器标定实验系统，该系统实现标定的具体操作如下：

1)标定装置调零；

2)由标准砝码组合构成不同的重量，按照重量从小到大的顺次，依次放置在圆形载物台上，压力传感器输出相应的测量值，Arduino数据采集板对压力传感器的输出值进行采样；

3)对于每个重量值，计算多次Arduino数据采集板的采样值的平均值作为其对应的压力传感器输出值；

4)Arduino数据采集板通过串口通信将采样数据传输给工控机上的Labview，Labview完成对采样数据的接收、求平均、显示和存储等操作；

5)在MATLAB环境中，利用其强大的计算能力，完成采样数据的曲线拟合，并验证得到的拟合曲线与采样数据曲线之间的相关系数是否满足精度要求；

6)相关系数满足精度要求，则完成对压力传感器的标定；反之，重复调零和标定过程，直到相关系数满足精度要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

1)无需使用第三方的多维力传感器，省去了昂贵的设备费。

2)基于三角形的稳定性原理，利用三根光轴配合基座、下滑台、连接架和顶盖构成上中下三层三角形机构，在调零和标定过程中可以有效避免因重心偏移可能导致的漂移。

3)选用的砝码最小自重为1g，可保证输入量的精度，电子秤精度为0.1g，可保证调零的精度，二者的高精度共同保证标定的高精度。

4)具有快调节和微调节两级调节机制。

5)结构精简，原理简单，操作方便，可提高标定效率。

附图说明

图1是本发明设计的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置的一种实施例的立体外观图；

图2是图1所示实施例的前视图。

图3是图1所示实施例的右视图。

图4是图1所示实施例的下滑台的爆炸视图。

图5是图1所示实施例的连接架的爆炸视图。

图6是图1所示实施例的上滑台的爆炸视图。

图7是图1所示实施例的两级调节机制的局部视图。

图8是图1所示实施例的调零过程的示意图。

图9是图1所示实施例的调零校正的示意图。

图10是基于图1所示实施例搭建的压力传感器标定实验系统的原理框图。

在图1至图9中，主要的数字和构件的对应关系为：

1—电子秤，2—压力传感器，3—标定装置，4—砝码，5—角架，31—基座，32—卧式光轴支架，33—光轴，34—下滑台，35—压力触头，36—上滑台，37—载物台，38—连接架，39—两级调节齿轮组，310—顶盖。

具体实施方式

下面结合本发明的附图及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的仅仅实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明设计的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置的一种实施例，如图1 至图5所示，该实施例由电子秤1、压力传感器2、标定装置3、砝码4、角架5构成：所述电子秤1置于标定装置3的基座31上，所述压力传感器2粘附在电子秤1的中心位置，所述标定装置3包括：基座31，卧式光轴支架32，光轴33，下滑台34，压力触头35，上滑台36，载物台37，连接架38，两级调节齿轮组39，顶盖310。

所述基座31为长方形构件，四个顶角做圆角处理，设置有3组卧式光轴支架32的定位孔，以及2组角架53的定位孔。

所述卧式光轴支架32包括321、322、323、324、325、326，其中，321、322、323将光轴33固定在基座31上，324、325、326将光轴33固定在顶盖310上。

所述光轴33包括光轴331、332、333，以光轴331为例说明光轴33与基座31和顶盖310 的连接关系：光轴331下端被卧式光轴支架321固定，卧式光轴支架321通过螺栓与基座31 连接；光轴331上端被卧式光轴支架324固定，卧式光轴支架324通过螺栓与顶盖310连接。

所述下滑台34包括：前面板341、后面板342、直线轴承343、344、紧固孔345、角架51的固定孔346，直线轴承343、344内嵌在前面板341和后面板342中间的凹槽，分别连接光轴331、332，紧固孔345利用螺栓将下滑台前面板341和下滑台后面板342连接，固定孔 346利用螺栓与角架51连接。

所述压力触头35包括：压力触头杆351、压缩弹簧352，压力触头杆351利用螺栓固定在上滑台36的下端，压缩弹簧352套在压力触头杆351上，其下端与下滑台34接触。

所述上滑台36包括：前面板361、后面板362、直线轴承363、364、紧固孔365、载物台37的固定孔366，直线轴承363、364内嵌在前面板361和后面板362中间的凹槽，直线轴承363连接光轴333，紧固孔365利用螺栓将下滑台前面板361和后面板362连接，固定孔366利用螺栓与载物台37连接。

所述载物台37为圆形构件，通过螺栓与上滑台36连接。

所述连接架38包括：前面板381、后面板382、直线轴承383、齿条384、紧固孔385、角架51的固定孔386，直线轴承383内嵌在前面板381和后面板382中间的凹槽，直线轴承 383连接光轴333，齿条384利用角架52固定在连接架38的侧面，固定孔386利用螺栓与角架51连接。

所述两级调节齿轮组39包括：前支架391，后支架392，微调节旋钮393，固定轴394、397、微调节齿轮395、快调节旋钮396、快调节齿轮398，前支架391和后支架392通过脚架53固定在基座31上。

所述顶盖310为三角形构件，三个顶角做圆角处理，每个顶角内侧都设置有卧式光轴支架32的定位孔。

所述角架5包括：角架51、52、53，角架51连接下滑台34和连接架38，角架52连接连接架38和齿条384，角架53连接两级调节齿轮组39和底座31。

特别的，压缩弹簧352初始为压缩状态。

特别的，压缩弹簧352要能够支撑压力触头35、上滑台36、载物台37和砝码4的整体重量，选用具有弹性好、刚度大等优点的模具弹簧。

特别的，两级调节齿轮组39具有快调节和微调节两种机制：通过控制快调节旋钮396，快调节齿轮398带动齿条384使得下滑台34和压力触头35快速下移；通过控制微调节旋钮 393，微调节齿轮395通过与快调节齿轮398的啮合关系带动齿条384使得下滑台34和压力触头35缓慢下移。

特别的，微调节齿轮395和快调节齿轮398的模数和齿数影响调零的精度和下滑台34的位移响应速度：为了保证啮合，通常齿轮的模数相同；当模数相同时，齿数比越大，调零精度越高，但下滑台34的位移响应速度越慢。在实际使用中，要平衡调零精度和下滑台34的位移响应速度的需求关系，选择合适的模数和齿数。

特别的，采用直线轴承32和光轴33配合的传动方式，可以在很大程度上排除摩擦干扰。

特别的，角架53在与基座31连接的一面设计有长条形安装孔531，角架53与两级调节齿轮组39通过螺栓固定连接后，调节长条形安装孔531到合适的位置，可以实现齿轮398和齿条384的啮合。

特别的，本发明实施例在对压力传感器标定前需要进行调零，调零过程如图8所示，具体操作如下：

1)将标定装置放置于水平桌面，如图8(a)所示；

2)将电子秤1和压力传感器2按照要求放置在预定位置，电子秤1需要一步去皮操作，此时，电子秤1显示为零；

3)调节两级调节齿轮组39，带动下滑台34下移；

4)当下滑台34下移足够的位移后，压力触头35接触压力传感器2(如图8(b)所示)，并作用于电子秤1，此时，电子秤1显示为大于零的数值；

5)正反向反复微调两级调节齿轮组39，找到令电子秤1的显示由零发生突变的位置，即为调零过程的零点位置，完成调零过程。

特别的，本发明实施例能够实现对上述调零精度的自我校正，具体操作如下：

1)完成初始调零后，在载物台上37依次放置不同规格的标准砝码4，如图9所示，记录每种规格的砝码4对应的电子秤1的测量值；

2)计算电子秤1的测量值与标准砝码4的标称值之间的误差；

3)根据误差的范围对调零精度进行评价。

4)调零精度达到要求，则进行后续的标定步骤；反之，则重新进行调零过程。

特别的，压力传感器的工作原理为：1)当受到外部压力时，传感器的表面产生压缩变形，引起电路中的电阻发生变化，随着压力的增大，阻值减小；2)连接一个电阻转电压模块，将阻值信息转换为电压信息，输出电压随着阻值的增大而减小；3)由阻值与压力之间的关系，可知输出电压随压力的增大而增大。压力传感器的标定即为：对传感器施加已知的外部压力，获取传感器的输出电压值，进而计算外部压力和输出电压之间的关系表达式。由此，基于本发明实施例所搭建如图10所示的压力传感器标定实验系统，包括标定装置、Arduino数据采集板和安装有Labview软件和MATLAB软件的工控机，该系统实现标定的具体步骤如下：

1)标定装置调零；

2)由标准砝码组合构成不同的重量，按照重量从小到大的顺次，依次放置在圆形载物台上，压力传感器输出相应的测量值，Arduino数据采集板对压力传感器的输出值进行采样；

3)对于每个重量值，计算多次Arduino数据采集板的采样值的平均值作为其对应的压力传感器输出值；

4)Arduino数据采集板通过串口通信将采样数据传输给工控机上的Labview，Labview完成对采样数据的接收、求平均、显示和存储等操作；

5)在MATLAB环境中，利用其强大的计算能力，完成对采样数据的曲线拟合，并验证得到的拟合曲线与采样数据曲线之间的相关系数是否满足精度要求；

6)相关系数满足精度要求，则完成对压力传感器的标定；反之，重复调零和标定过程，直到相关系数满足精度要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

1)无需使用第三方的多维力传感器，省去了昂贵的设备费。

2)基于三角形的稳定性原理，利用三根光轴配合基座、下滑台、连接架和顶盖构成上中下三层三角形机构，在调零和标定过程中可以有效避免因重心偏移可能导致的漂移。

3)选用的砝码最小自重为1g，可保证输入量的精度，电子秤精度为0.1g，可保证调零的精度，二者的高精度共同保证标定的高精度。

4)具有快调节和微调节两级调节机制。

5)结构精简，原理简单，操作方便，可提高标定效率。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：包括电子秤1、压力传感器2、标定装置3、砝码4、角架5：

所述电子秤1置于标定装置3的基座31上，所述压力传感器2粘附在电子秤1的中心位置，所述标定装置3包括：基座31，卧式光轴支架32，光轴33，下滑台34，压力触头35，上滑台36，载物台37，连接架38，两级调节齿轮组39，顶盖310；

所述基座31为长方形构件，四个顶角做圆角处理，设置有3组卧式光轴支架32的定位孔，以及2组角架53的定位孔；

所述卧式光轴支架32包括321、322、323、324、325、326，其中，321、322、323将光轴33固定在基座31上，324、325、326将光轴33固定在顶盖310上；

所述光轴33包括光轴331、332、333，以光轴331为例说明光轴33与基座31和顶盖310的连接关系：光轴331下端被卧式光轴支架321固定，卧式光轴支架321通过螺栓与基座31连接；光轴331上端被卧式光轴支架324固定，卧式光轴支架324通过螺栓与顶盖310连接；

所述下滑台34包括：前面板341、后面板342、直线轴承343、344、紧固孔345、角架51的固定孔346，直线轴承343、344内嵌在前面板341和后面板342中间的凹槽，分别连接光轴331、332，紧固孔345利用螺栓将下滑台前面板341和下滑台后面板342连接，固定孔346利用螺栓与角架51连接；

所述压力触头35包括：压力触头杆351、压缩弹簧352，压力触头杆351利用螺栓固定在上滑台36的下端，压缩弹簧352套在压力触头杆351上，其下端与下滑台34接触；

所述上滑台36包括：前面板361、后面板362、直线轴承363、364、紧固孔365、载物台37的固定孔366，直线轴承363、364内嵌在前面板361和后面板362中间的凹槽，直线轴承363连接光轴333，紧固孔365利用螺栓将下滑台前面板361和后面板362连接，固定孔366利用螺栓与载物台37连接；

所述载物台37为圆形构件，通过螺栓与上滑台36连接；

所述连接架38包括：前面板381、后面板382、直线轴承383、齿条384、紧固孔385、角架51的固定孔386，直线轴承383内嵌在前面板381和后面板382中间的凹槽，直线轴承383连接光轴333，齿条384利用角架52固定在连接架38的侧面，固定孔386利用螺栓与角架51连接；

所述两级调节齿轮组39包括：前支架391，后支架392，微调节旋钮393，固定轴394、397、微调节齿轮395、快调节旋钮396、快调节齿轮398，前支架391和后支架392通过脚架53固定在基座31上；

所述顶盖310为三角形构件，三个顶角做圆角处理，每个顶角内侧均设置有卧式光轴支架32的定位孔；

所述角架5包括：角架51、52、53，角架51连接下滑台34和连接架38，角架52连接连接架38和齿条384，角架53连接两级调节齿轮组39和底座31。

2.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：压缩弹簧352初始为压缩状态。

3.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：压缩弹簧352要能够支撑压力触头35、上滑台36、载物台37和砝码4的整体重量，选用具有弹性好、刚度大等优点的模具弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：两级调节齿轮组39具有快调节和微调节两种机制：通过控制快调节旋钮396，快调节齿轮398带动齿条384使得下滑台34和压力触头35快速下移；通过控制微调节旋钮393，微调节齿轮395通过与快调节齿轮398的啮合关系带动齿条384使得下滑台34和压力触头35缓慢下移。

5.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：微调节齿轮395和快调节齿轮398的模数和齿数影响调零的精度和下滑台34的位移响应速度：为了保证啮合，通常齿轮的模数相同；当模数相同时，齿数比越大，调零精度越高，但下滑台34的位移响应速度越慢。在实际使用中，要平衡调零精度和下滑台34的位移响应速度的需求关系，选择合适的模数和齿数。

6.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：采用直线轴承32和光轴33配合的传动方式，可以在很大程度上排除摩擦干扰。

7.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：角架53在与基座31连接的一面设计有长条形安装孔531，角架53与两级调节齿轮组39通过螺栓固定连接后，调节长条形安装孔531到合适的位置，可以实现齿轮398和齿条384的啮合。

8.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：本发明实施例在对压力传感器标定前，需要对标定装置3进行调零，调零过程需要灵活应用快调节和微调节两级调节机制。

9.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：在标定装置3完成初始调零后，标定装置3还可以对调零精度进行自我校正。

10.根据权利要求1所述的一种具有两级调节机制的压力传感器标定实验装置，其特征在于：基于标定装置3可以搭建包括标定装置、Arduino数据采集板和安装有Labview软件和MATLAB软件的工控机的压力传感器标定实验系统，标定的具体步骤为：在完成精确调零后，由Arduino数据采集板对压力传感器2在不同砝码4压力下的输出值进行采样，经Labview和MATLAB计算得到曲线拟合表达式，完成对压力传感器2的标定。