CN109738116B - 一种柔性压力传感器的校准方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性压力传感器的校准方法和装置，包括承压平台、L型支架和底座，所述L型支架为“L”形结构，所述L型支架的一侧面内表壁设置有矩形滑轨，所述L型支架与承压平台之间通过矩形滑轨相互连接，所述L型支架的一侧面垂直连接有压力计，所述承压平台的上表面设置有柔性压力传感器，所述压力计与柔性压力传感器在空间上相互匹配，所述承压平台的上表面一侧设置有电阻测量仪。本发明通过设置有主控单元和驱动控制模块，在柔性压力传感器的校准过程中，当压力计采集到的数值达到设定的目标值时，主控单元向驱动控制模块发出停止动作指令，从而整个校准过程中无需人工干预，节省了人力资源。

Description

一种柔性压力传感器的校准方法和装置

技术领域

本发明涉及传感器校准技术领域，特别涉及一种柔性压力传感器校准的方法和装置。

背景技术

随着现代电子技术和信息技术的不断发展，智能电子设备越来越多地出现在人们的生活中，智能化水平的提高需要依靠大数据分析和人工智能，而大数据的采集离不开传感器的使用，柔性压力传感器作为一种新型传感器，具有柔韧性好、厚度小、可弯曲、灵敏度高、成本低等优点，具有广泛的应用前景。

由于柔性压力传感器的特点，在产品测试和使用过程中需要标定对应的校准，目前对压力传感器的标定主要采用的方法是基于最小二乘法原理进行线性拟合，得到一条近似的曲线，但这种方法适用于线性度较好的压力传感器，当压力传感器的压力与电阻之间的关系不满足线性时，需要选取多个校准点进行多线段拟合，而多个线段的选择往往是个难点，当选取的线段较少时，在部分区间会有较大的误差；当选取的线段较多时，会增加标定点个数，从而使标定流程更为复杂。基于上述缺陷，本发明提出了一种针对柔性压力传感器的标定方法和一种标定设备，妥善的解决了上述所提及的一些问题。

发明内容

本发明公开了一种针对柔性压力传感器的校准方法和装置，能够自动对柔性压力传感器进行校准，且过程中无需人工进行干预。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

按照本发明提供的技术方案：一种柔性压力传感器的校准装置，包括承压平台、L型支架和底座，所述L型支架为“L”形结构，所述L型支架的一侧面内表壁设置有矩形滑轨，所述L型支架与承压平台之间通过矩形滑轨相互连接，所述L型支架的一侧面垂直连接有压力计，所述承压平台的上表面设置有柔性压力传感器，所述压力计与柔性压力传感器在空间上相互匹配，所述承压平台的上表面一侧设置有电阻测量仪，所述承压平台的下表面中部固定设置有线性轴承导轨，所述底座的上表面中部固定设置有蜗轮蜗杆转换箱，所述线性轴承导轨与蜗轮蜗杆转换箱之间通过丝杆相互连接，所述底座的上表面设置有伺服电机和控制箱，所述伺服电机的下表面设置有缓冲垫，所述缓冲垫的形状为倒梯形结构，所述伺服电机的一端延伸至蜗轮蜗杆转换箱的内部，所述伺服电机一端的蜗杆与丝杆下端的蜗轮配合接触，所述控制箱的一侧通过通讯接口连接有显示模块。

作为本发明的进一步改进，所述控制箱的内部设置有主控单元、驱动控制模块和数据管理单元。

作为本发明的进一步改进，所述丝杆相对于线性轴承导轨和蜗轮蜗杆转换箱之间均为螺纹连接结构，所述丝杆相对于线性轴承导轨和蜗轮蜗杆转换箱之间均为可转动结构。

作为本发明的进一步改进，所述蜗轮蜗杆转换箱的内部设置有蜗轮和蜗杆，所述伺服电机的一端通过蜗杆、蜗轮与丝杆之间相互螺纹连接。

作为本发明的进一步改进，所述柔性压力传感器由第一柔性衬底、柔性电极层、支撑层、第二柔性衬底、压力敏感层以及柔性封装层组合而成，所述第二柔性衬底的下表面安装有压力敏感层，所述第一柔性衬底的上表面安装有柔性电极层，所述压力敏感层与柔性电极层通过两侧的支撑层连接，所述柔性封装层覆盖于第一柔性衬底与第二柔性衬底的边缘处。

作为本发明的进一步改进，所述柔性压力传感器通过电学输出信号与电阻测量仪电性连接，所述电阻测量仪和压力计均与主控单元相连，所述主控单元上分别设置有驱动控制模块和数据管理单元，所述主控单元与数据管理单元双向连接，所述驱动控制模块连接有伺服电机，所述数据管理单元分别与通讯接口和显示模块之间电性相连。

作为本发明的进一步改进，一种柔性压力传感器的校准方法和装置，装置具体操作步骤如下：

步骤一、主控单元从数据管理单元读取待校准柔性压力传感器信息、设定点序列数据；

步骤二、读取第一个设定点压力值，设定为本次动作的目标值；

步骤三、主控单元向驱动控制模块发出动作指令；驱动控制模块执行指令，驱动平台向上移动，使柔性压力传感器与压力计之间产生接触压力；

步骤四、主控单元读取压力计的数据，当实时压力值达到目标压力值时，主控单元向驱动控制模块发出停止动作指令，以使柔性压力传感器的表面压力维持在目标值；

步骤五、主控单元读取电阻测量仪测得的柔性压力传感器电阻值，待压力值稳定且等于目标值、电阻值稳定时，记录电阻值读数。

步骤六、读取下一个设定点压力值，重复执行步骤二至步骤五，直到设定点序列中所有的压力点数据都已执行完毕；

步骤七、将以上测量得到的电阻序列数据和对应的压力点序列数据保存在数据管理单元。

作为本发明的进一步改进，一种柔性压力传感器的校准方法和装置，校准方法包括如下步骤：

将保存在数据管理单元中电阻序列数据和对应的压力点序列数据按照如下步骤进行计算拟合：

1、记压力点序列为：y0,y1,…yn；记传感器电阻序列x0,x1,…xn；

2、将电阻值序列作为横坐标，将压力值序列作为纵坐标，得到压力-电阻对序列：(x0,y0),(x1,y1)…(xn,yn)；

3、采用最小二乘法多项式曲线拟合方法，求解压力传感器的拟合曲线：

a)将第2中得到的序列对代入多项式方程：

得到方程组：

b)采用高斯消元法求解方程，得到多项式系数W₀,W₁,W₂,…W_n

c)将多项式系数代入多项式(1)，得到传感器的拟合函数式，

4、将得到的拟合函数多项式系数保存在数据管理单元，作为校准参数与传感器信息一一对应。

上述所得校准参数，可在传感器应用时，用于计算压力的校准系数，提高压力测量精度。

作为本发明的进一步改进，所述曲线拟合方法采用多项式拟合。

作为本发明的进一步改进，所述求解多项式方程组采用高斯消元法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)、本发明通过在承压平台上设置有电阻测量仪、待测的柔性压力传感器，以及在L型支架上安装有压力计，在承压平台固定安装于外部结构后，在驱动控制模块控制伺服电机带动承压平台与L型支架从刚接触时的零压力到指定目标压力所对应的位置过程中，主控单元能够实时读取电阻测量仪测得到的柔性压力传感器电阻值以及压力计采集的压力值，并将整个过程中得到的校准数据对序列按多项式的方法计算拟合，最终将校准后结果在显示模块上显示并存储于数据管理单元中。

2)、本发明通过设置有主控单元和驱动控制模块，在柔性压力传感器的校准过程中，当压力计采集到的数值达到设定的目标值时，主控单元向驱动控制模块发出停止动作指令，从而整个校准过程中无需人工干预，节省了人力资源。

3)、本发明通过在该装置上配置有与计算机连接的通讯接口和显示模块，从而可实现数据的导入导出、标定分析以及标定曲线的显示等功能，可见该发明功能实用，适合被广泛推广。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的仰视图。

图3为本发明的柔性压力传感器的内部结构示意图。

图4为本发明的电路连接示意图。

图中：1、矩形滑轨；2、承压平台；3、柔性压力传感器；4、L型支架；5、电阻测量仪；6、线性轴承导轨；7、丝杆；8、伺服电机；9、缓冲垫；10、蜗轮蜗杆转换箱；11、底座；12、控制箱；13、压力计；14、柔性封装层；15、支撑层；16、第二柔性衬底；17、压力敏感层；18、柔性电极层；19、第一柔性衬底；20、主控单元；21、驱动控制模块；22、通讯接口；23、数据管理单元；24、显示模块。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-4所示，一种柔性压力传感器的校准装置，包括承压平台2、L型支架4和底座11，所述L型支架4为“L”形结构，所述L型支架4的一侧面内表壁设置有矩形滑轨1，所述L型支架4与承压平台2之间通过矩形滑轨1相互连接，所述L型支架4的一侧面垂直连接有压力计13，所述承压平台2的上表面设置有柔性压力传感器3，所述压力计13与柔性压力传感器3在空间上相互匹配，所述承压平台2的上表面一侧设置有电阻测量仪5，所述承压平台2的下表面中部固定设置有线性轴承导轨6，所述底座11的上表面中部固定设置有蜗轮蜗杆转换箱10，所述线性轴承导轨6与蜗轮蜗杆转换箱10之间通过丝杆7相互连接，所述底座11的上表面设置有伺服电机8和控制箱12，所述伺服电机8的下表面设置有缓冲垫9，所述缓冲垫9的形状为倒梯形结构，所述伺服电机8的一端延伸至蜗轮蜗杆转换箱10的内部，所述伺服电机8一端的蜗杆与丝杆7下端的蜗轮配合接触，所述控制箱12的一侧通过通讯接口22连接有显示模块24。

如图1所示，其中，所述控制箱12的内部设置有主控单元20、驱动控制模块21和数据管理单元23，主控单元20通过驱动控制模块21控制承压平台2与L型支架4之间的相对位置，并读出作用在柔性压力传感器3上压力值以及相应的电阻值，保存于数据管理单元23中。

如图1和2所示，其中，所述丝杆7相对于线性轴承导轨6和蜗轮蜗杆转换箱10之间均为螺纹连接结构，所述丝杆7相对于线性轴承导轨6和蜗轮蜗杆转换箱10之间均为可转动结构，借助线性轴承导轨6和蜗轮蜗杆转换箱10，能够使承压平台2相对于L型支架4上下移动。

如图1所示，其中，所述蜗轮蜗杆转换箱10的内部设置有蜗轮和蜗杆，所述伺服电机8的一端通过蜗杆、蜗轮与丝杆7之间相互螺纹连接，蜗轮蜗杆转换箱10的设置能够实现动力传递方向的改变。

如图3所示，其中，所述柔性压力传感器3由第一柔性衬底19、柔性电极层18、支撑层15、第二柔性衬底16、压力敏感层17以及柔性封装层14组合而成，所述第二柔性衬底16的下表面安装有压力敏感层17，所述第一柔性衬底19的上表面安装有柔性电极层18，所述压力敏感层17与柔性电极层18通过两侧的支撑层15连接，所述柔性封装层14覆盖于第一柔性衬底19与第二柔性衬底16的边缘处，边缘处柔性封装层14的设置可以发挥防水、防尘的作用。

如图4所示，其中，所述柔性压力传感器3通过电学输出信号与电阻测量仪5电性连接，所述电阻测量仪5和压力计13均与主控单元20相连，所述主控单元20上分别设置有驱动控制模块21和数据管理单元23，所述主控单元20与数据管理单元23双向连接，所述驱动控制模块21连接有伺服电机8，所述数据管理单元23分别与通讯接口22和显示模块24之间电性相连。

如图1、3和4所示，其中，一种柔性压力传感器的校准方法和装置，装置具体操作步骤如下：

步骤一、主控单元20从数据管理单元23读取待校准柔性压力传感器3信息、设定点序列数据；

步骤二、读取第一个设定点压力值，设定为本次动作的目标值；

步骤三、主控单元20向驱动控制模块21发出动作指令；驱动控制模块21执行指令，驱动平台向上移动，使柔性压力传感器3与压力计13之间产生接触压力；

步骤四、主控单元20读取压力计13的数据，当实时压力值达到目标压力值时，主控单元20向驱动控制模块21发出停止动作指令，以使柔性压力传感器3的表面压力维持在目标值；

步骤五、主控单元20读取电阻测量仪5测得的柔性压力传感器3电阻值，待压力值稳定且等于目标值、电阻值稳定时，记录电阻值读数。

步骤六、读取下一个设定点压力值，重复执行步骤二至步骤五，直到设定点序列中所有的压力点数据都已执行完毕；

步骤七、将以上测量得到的电阻序列数据和对应的压力点序列数据保存在数据管理单元。

如图1、3和4所示，其中，一种柔性压力传感器的校准方法和装置，校准方法包括如下步骤：

将保存在数据管理单元中电阻序列数据和对应的压力点序列数据按照如下步骤进行计算拟合：

1、记压力点序列为：y0,y1,…yn；记传感器电阻序列x0,x1,…xn；

2、将电阻值序列作为横坐标，将压力值序列作为纵坐标，得到压力-电阻对序列：(x0,y0),(x1,y1)…(xn,yn)；

3、采用最小二乘法多项式曲线拟合方法，求解压力传感器的拟合曲线：

a)将第2中得到的序列对代入多项式方程：

得到方程组：

b)采用高斯消元法求解方程，得到多项式系数W₀,W₁,W₂,…W_n

c)将多项式系数代入多项式(1)，得到传感器的拟合函数式，

4、将得到的拟合函数多项式系数保存在数据管理单元，作为校准参数与传感器信息一一对应。

上述所得校准参数，可在传感器应用时，用于计算压力的校准系数，提高压力测量精度。

如图1-4所示，其中，所述曲线拟合方法采用多项式拟合。

如图1-4所示，其中，所述求解多项式方程组采用高斯消元法。

需要说明的是，本发明为一种柔性压力传感器的校准方法和装置，校准时，首先，根据待检测的柔性压力传感器3的特性，在柔性压力传感器3的量程范围内确定压力标定点序列y0,y1,…yn，其次，主控单元20向伺服电机8发出动作指令，驱动承压平台2向上移动，依次对柔性压力传感器3施加压力，待压力计13实测到的压力数值达到标定点压力值yn并稳定后，通过电阻测量仪5读取柔性压力传感器3内的电阻序列x0,x1,…xn，并将得到的压力-电阻对序列(x0,y0),(x1,y1)...(xn,yn)代入到多项式方程中，采用高斯消元法求解方程，得出传感器的拟合函数式，最终完成柔性压力传感器3的校准。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种柔性压力传感器的校准装置，包括承压平台(2)、L型支架(4)和底座(11)，其特征在于：所述L型支架(4)为“L”形结构，所述L型支架(4)的一侧面内表壁设置有矩形滑轨(1)，所述L型支架(4)与承压平台(2)之间通过矩形滑轨(1)相互连接，所述L型支架(4)的一侧面垂直连接有压力计(13)，所述承压平台(2)的上表面设置有柔性压力传感器(3)，所述压力计(13)与柔性压力传感器(3)在空间上相互匹配，所述承压平台(2)的上表面一侧设置有电阻测量仪(5)，所述承压平台(2)的下表面中部固定设置有线性轴承导轨(6)，所述底座(11)的上表面中部固定设置有蜗轮蜗杆转换箱(10)，所述线性轴承导轨(6)与蜗轮蜗杆转换箱(10)之间通过丝杆(7)相互连接，所述底座(11)的上表面设置有伺服电机(8)和控制箱(12)，所述伺服电机(8)的下表面设置有缓冲垫(9)，所述缓冲垫(9)的形状为倒梯形结构，所述伺服电机(8)的一端延伸至蜗轮蜗杆转换箱(10)的内部，所述伺服电机(8)一端的蜗杆与丝杆(7)下端的蜗轮配合接触，所述控制箱(12)的一侧通过通讯接口(22)连接有显示模块(24)；

所述控制箱(12)的内部设置有主控单元(20)、驱动控制模块(21)和数据管理单元(23)；所述柔性压力传感器(3)由第一柔性衬底(19)、柔性电极层(18)、支撑层(15)、第二柔性衬底(16)、压力敏感层(17)以及柔性封装层(14)组合而成，所述第二柔性衬底(16)的下表面安装有压力敏感层(17)，所述第一柔性衬底(19)的上表面安装有柔性电极层(18)，所述压力敏感层(17)与柔性电极层(18)通过两侧的支撑层(15)连接，所述柔性封装层(14)覆盖于第一柔性衬底(19)与第二柔性衬底(16)的边缘处；所述柔性压力传感器(3)通过电学输出信号与电阻测量仪(5)电性连接，所述电阻测量仪(5)和压力计(13)均与主控单元(20)相连，所述主控单元(20)上分别设置有驱动控制模块(21)和数据管理单元(23)，所述主控单元(20)与数据管理单元(23)双向连接，所述驱动控制模块(21)连接有伺服电机(8)，所述数据管理单元(23)分别与通讯接口(22)和显示模块(24)之间电性相连；

所述校准装置的校准方法具体操作步骤如下：

步骤一、主控单元(20)从数据管理单元(23)读取待校准柔性压力传感器(3)信息、设定点序列数据；

步骤二、读取第一个设定点压力值，设定为本次动作的目标值；

步骤三、主控单元(20)向驱动控制模块(21)发出动作指令；驱动控制模块(21)执行指令，驱动平台向上移动，使柔性压力传感器(3)与压力计(13)之间产生接触压力；

步骤四、主控单元(20)读取压力计(13)的数据，当实时压力值达到目标压力值时，主控单元(20)向驱动控制模块(21)发出停止动作指令，以使柔性压力传感器(3)的表面压力维持在目标值；

步骤五、主控单元(20)读取电阻测量仪(5)测得的柔性压力传感器(3)电阻值，待压力值稳定且等于目标值、电阻值稳定时，记录电阻值读数；

步骤六、读取下一个设定点压力值，重复执行步骤二至步骤五，直到设定点序列中所有的压力点数据都已执行完毕；

步骤七、将以上测量得到的电阻序列数据和对应的压力点序列数据保存在数据管理单元；

校准方法包括如下步骤：

将保存在数据管理单元中电阻序列数据和对应的压力点序列数据按照如下步骤进行计算拟合：

(1)、记压力点序列为：y0,y1,…yn；记传感器电阻序列x0,x1,…xn；

(2)、将电阻值序列作为横坐标，将压力值序列作为纵坐标，得到压力-电阻对序列：(x0,y0),(x1,y1)…(xn,yn)；

(3)、采用最小二乘法多项式曲线拟合方法，求解压力传感器的拟合曲线：

a)将第(2)中得到的序列对代入多项式方程：

得到方程组：

b)采用高斯消元法求解方程，得到多项式系数W₀,W₁,W₂,…W_n

c)将多项式系数代入多项式(1)，得到传感器的拟合函数式，

(4)、将得到的拟合函数多项式系数保存在数据管理单元，作为校准参数与传感器信息一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的校准装置，其特征在于：所述丝杆(7)相对于线性轴承导轨(6)和蜗轮蜗杆转换箱(10)之间均为螺纹连接结构，所述丝杆(7)相对于线性轴承导轨(6)和蜗轮蜗杆转换箱(10)之间均为可转动结构。

3.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的校准装置，其特征在于：所述蜗轮蜗杆转换箱(10)的内部设置有蜗轮和蜗杆，所述伺服电机(8)的一端通过蜗杆、蜗轮与丝杆(7)之间相互螺纹连接。