CN111174973B - 一种薄膜传感器标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜传感器标定装置及方法，包括：激波管，激波管包括高压管体和低压管体，高压管体和低压管体之间设有膜片分隔；供气设备，用于给高压管体充气；第一压力传感器，设于低压管体的内壁上；第二标准压力传感器，设于测试端面，测试端面为低压管体远离高压管体一端的内端面；示波器，第一压力传感器和第二标准压力传感器均与示波器电连接；其中，通过给高压管体充气使膜片破裂产生激波，薄膜传感器设于测试端面，第一压力传感器为示波器的触发信号源，示波器采集第二标准压力传感器和薄膜传感器电信号。该标定装置结合标定方法能够准确获得薄膜传感器的动态特性。

Description

一种薄膜传感器标定装置及方法

技术领域

本发明属于传感器标定技术领域，尤其涉及一种薄膜传感器标定装置及方法。

背景技术

随着传感器技术的飞速发展以及各种新型材料的应用，一大批新型传感器开始涌现并凭借其优异的性能开始逐步取代一些旧式传感器，其中就包括薄膜传感器，薄膜传感器能感知压力的变化并输出电信号。薄膜传感器具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状的面积不等的片或管状等优势。传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。

目前薄膜传感器的标定尚无统一且有效的方法，大多数厂家只能通过材料的特性参数来给出传感器的特性参数，然而薄膜传感器的封装、保护层等的存在势必会影响到薄膜传感器的特性参数。现有的文献和专利调研结果显示，激振器法和分离式霍普金森杆法是比较常用的两种方法。

现有技术中无法准确确定加载到薄膜传感器表面的载荷值，即无法准确获得薄膜传感器的动态特性。

发明内容

为解决上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种薄膜传感器标定装置及方法，能够准确获得薄膜传感器的动态特性。

本发明的技术方案为：

一种薄膜传感器标定装置，包括：

激波管，所述激波管包括相连的高压管体和低压管体，所述高压管体和所述低压管体之间设有膜片分隔；

供气设备，用于给所述高压管体充气；

第一压力传感器，设于所述低压管体的内壁上；

第二标准压力传感器，设于测试端面，所述测试端面为所述低压管体远离所述高压管体一端的内端面，待标定的薄膜传感器设于所述测试端面；

示波器，所述薄膜传感器、所述第一压力传感器和所述第二标准压力传感器均与所述示波器电连接；

其中，通过给所述高压管体充气使所述膜片破裂产生激波，所述第一压力传感器为所述示波器的触发信号源，所述示波器接收到所述触发信号源后开始采集所述第二标准压力传感器和所述薄膜传感器电信号。

根据本发明一实施例，包括温度传感器和温度调节器，用于检测和调节所述测试端面的温度。

根据本发明一实施例，所述温度调节器为半导体制冷片，所述半导体制冷片设于所述低压管体与所述测试端面相对的外端面上。

根据本发明一实施例，所述半导体制冷片设有散热装置。

根据本发明一实施例，包括用于检测高压管体和低压管体气压的气压检测装置。

根据本发明一实施例，包括真空抽取机，用于调节所述低压管体的气压。

基于相同构思，本发明提供一种薄膜传感器标定方法，基于上述任意一项实施例所述的薄膜传感器标定装置，包括以下步骤：

Step1：打开所述供气设备给所述高压管体充气，直至所述膜片破裂产生激波；

Step2：所述第一压力传感器接收到激波信号并传输到所述示波器触发端，使得所述示波器开始采集信号，所述示波器记录并存储所述第二标准压力传感器和所述薄膜传感器的电信号；

Step3：更换所述膜片，并改变所述膜片破裂时产生所述激波时的激波压力；

Step4：重复Step1-Step3若干次，得到若干组数据；

Step5：将每组数据中的所述薄膜传感器的电信号上升到最高点的数值和与之对应的所述第二标准压力传感器的电信号上升到最高点的数值进行最小二乘拟合，得到所述薄膜传感器的灵敏度曲线。

根据本发明一实施例，Step3中通过更换不同的所述膜片、改变所述低压管体的气压、改变给所述高压管体充气的气体类型中其中任意一种或多种组合的方式改变所述激波压力。

基于相同构思，本发明提供一种薄膜传感器标定方法，基于上述任意一项实施例所述的薄膜传感器标定装置，包括以下步骤：

Step1：打开所述供气设备给所述高压管体充气，直至所述膜片破裂产生激波；

Step2：所述第一压力传感器接收到激波信号并传输到所述示波器触发端，使得所述示波器开始采集信号，所述示波器记录并存储所述第二标准压力传感器和所述薄膜传感器的电信号；

Step3：更换所述膜片，并对所述测试端面加热或制冷以改变温度，所述温度传感器记录温度值；

Step4：重复Step1-Step3若干次，得到若干组数据；

Step5：将每个温度值下所述薄膜传感器电信号中最高点的数值与温度值进行拟合，得到所述薄膜传感器温度特性曲线；

对比升温和降温至各个温度时的所述薄膜传感器电信号中最高点的数值，得到所述薄膜传感器的温度迟滞性误差。

根据本发明一实施例，Step3中通过对所述半导体制冷片输入端正负极对调实现加热或制冷。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明一实施例中设置激波管、供气设备、第一压力传感器、第二标准压力传感器、示波器，利用激波管产生的激波作为激励源，采用对比法来获得薄膜传感器的动态特性参数，通过将第一压力传感器为示波器的触发信号源实现对薄膜传感器和第二标准压力传感器上升沿信号的准确捕捉，使得能够准确获得薄膜传感器的动态特性。

(2)本发明一实施例中包括温度调节装置，使得能够获得薄膜传感器的温度特性曲线和温度迟滞性误差。

(3)本发明一实施例中温度调节器为半导体制冷片，设于测试端面相对的外端面，采用半导体制冷片可以快速制冷或制热，方便实验中对温度的控制；且实验中仅需对测试端面进行加热，半导体制冷片体积小安装方便，可以有效控制加热范围。

(4)本发明一实施例中半导体制冷片设有散热装置，使得可以对半导体制冷片散热，防止过热。

(5)本发明一实施例中包括气压检测装置使得可以对高压管体和低压管体的气压进行检测，可以精确控制激波压力。

(6)本发明一实施例中包括真空抽取机，用于调节低压管体的气压以调整激波的压力。

(7)本发明一实施例中的一种薄膜传感器标定方法，基于薄膜传感器标定装置实现了对薄膜传感器灵敏度的标定。

(8)本发明一实施例中的一种薄膜传感器标定方法，基于薄膜传感器标定装置实现了对薄膜传感器温度特性和温度迟滞性的标定。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的一种薄膜传感器标定装置整体示意图；

图2为本发明的一种薄膜传感器标定装置测试端面示意图；

图3为本发明的一种薄膜传感器标定装置温度调节器示意图。

附图标记说明：

1：激波管；2：高压管体；3：低压管体；4：膜片；5：供气设备；6：第一压力传感器；7：第二标准压力传感器；8：示波器；9：薄膜传感器；10：半导体制冷片；11：散热装置；12：气压检测装置；13：真空抽取机；14：温度传感器；91：单测点薄膜传感器；92：多测点薄膜传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供一种薄膜传感器9标定装置，包括激波管1、供气设备5、第一压力传感器6、第二标准压力传感器7、示波器8，利用激波管1产生的激波作为激励源，采用对比法来获得薄膜传感器9的动态特性参数，通过将第一压力传感器6为示波器8的触发信号源实现对薄膜传感器9电信号和第二标准压力传感器7上升沿信号的准确捕捉，使得能够准确获得薄膜传感器9的动态特性，且可实现包括单测点和多测点阵列的薄膜传感器9动态特性标定。

参看图1至3，激波管1包括相连的高压管体2和低压管体3，两端设有端盖密封，高压管体2和低压管体3之间设有膜片4将两段管体分隔，且分隔处密封，膜片4为塑料膜片4或铝膜片4，具有一定强度且在一定压力下会破裂，具体强度根据实验要求确定。供气设备5用于给高压管体2充气，内部存储有标准浓度的气体，气体类型可根据实验要求更换，供气设备5的出气口通过供气管路连接激波管1的高压管体2，实现高压管体2的充气以使其与低压管体3产生压力差，使膜片4破裂使压强产生突跃变化以产生激波。第一压力传感器6安装于低压管体3的内壁上，第一压力传感器6可以为标准压力传感器也可以不为标准压力传感器，只要能快速感应到激波并发送触发信号源就行，第二标准压力传感器7安装于测试端面，用于检测测试端面的激波实际压力值，测试端面为低压管体3远离高压管体2一端的内端面，也就是该端端盖的内端面，薄膜传感器9也安装于测试端面，薄膜传感器9为待标定传感器也为一种压力传感器，薄膜传感器9、第一压力传感器6和第二标准压力传感器7均与示波器8电连接，其中第一压力传感器6作为示波器8的触发信号源，当产生激波第一压力传感器6感应到激波压力时产生电信号并传给示波器8，示波器8开始工作采集第二标准压力传感器7和薄膜传感器9的电信号，该电信号显示在示波器8上为随时间变化的曲线图，因为激波在传播到测试端面上以后会发生反射，因此作用在第二标准压力传感器7和薄膜传感器9上的压力会随时间发生变化；第一压力传感器6优选为安装在距离测试端面前1m左右处，因为此处触发信号传递给示波器8以后，示波器8采集到的第二标准压力传感器7和薄膜传感器9的完整上升沿电信号差不多刚好处于采集时间段内，采集更加准确。

为能够对薄膜传感器9温度特性进行标定，还包括温度传感器14和温度调节器，用于检测和调节测试端面的温度，温度调节器为半导体制冷片10，半导体制冷片10通过硅脂粘贴在与测试端面相对的外端面，也就是端盖外端面，且半导体制冷片10设有散热装置11用于散热，散热装置11为风扇，粘贴在半导体制冷片10的背部，使得可以对半导体制冷片10散热，防止过热。半导体制冷片10可以加热和制冷，从而实现对测试端面的温度控制；温度传感器14安装在测试端面，用于检测测试端面的温度值。还包括连接于高压管体2和低压管体3的气压检测装置12，用于测量气压。还包括真空抽取机13，通过抽气管路连接低压管体3，实现低压管体3的抽真空，用于低压管体3调节气压，且安装在低压管体3的气压检测装置12为真空压力表，用于检测低压管体3的真空度值。

实施例二

本发明提供一种薄膜传感器9标定方法，基于上述的薄膜传感器9标定装置，具体包括以下步骤：

Step1：打开供气设备5给高压管体2充气，直至膜片4破裂产生激波；

具体的，此步骤前应先将膜片4安装在激波管1高压管体2和低压管体3之间夹紧，将待标定薄膜传感器9、第二标准压力传感器7、温度传感器14平齐安装到测试端面，将第一压力传感器6安装到距离测试端面前1m处的低压管体3内壁上；将半导体制冷片10用硅脂粘贴在与测试端面相对的外端面上，将风扇用硅脂粘贴在半导体制冷片10上；将薄膜传感器9和第二标准压力传感器7的引线从测试端面的端盖引出并接入示波器8采集端，引线穿出端盖的孔部分用密封胶封严，将低压管体3内壁安装的第一压力传感器6接入示波器8触发端并将其设置成触发信号源；该步骤中可以打开真空抽取机13，将低压管体3抽真空，也可以不抽真空。

Step2：第一压力传感器6接收到激波信号并传输到示波器8触发端从而触发示波器8使其开始采集信号，示波器8记录并存储第二标准压力传感器7和薄膜传感器9的电信号；

具体的，激波经过第一压力传感器6时第一压力传感器6接收到激波信号产生一个阶跃的电信号，该电信号传输给示波器8，示波器8开始工作采集信号，此时观察示波器8，如果示波器8捕捉到了第二标准压力传感器7和薄膜传感器9的上升沿信号且无削波现象，视为数据有效存储数据。

Step3：更换膜片4，并改变膜片4破裂时产生激波时的激波压力；

具体的，先拆除旧的膜片4，再换上新的膜片4；通过更换不同类型的膜片4、改变低压管体3的气压、改变给高压管体2充气的气体类型等中其中任意一种或多种组合的方式改变激波压力，不同类型的膜片4可以为不同材料的膜片4、不同厚度的膜片4、膜片4上划有划痕等，改变低压管体3的气压可以通过开启真空抽取机13来实现。

Step4：重复Step1-Step3若干次，得到若干组数据；

Step5：将每组数据中的薄膜传感器9电信号中最高点的数值和与之对应的第二标准压力传感器7电信号中最高点的数值进行最小二乘拟合，得到薄膜传感器9的灵敏度曲线。

具体的，保持温度恒定，将不同激波压力下的每组数据中薄膜传感器9电信号中最高点的数值取出，得到一组数据，再将第二标准压力传感器7电信号中最高点的数值取出，得到另一组数据，将两组数据进行最小二乘拟合得到薄膜传感器9的灵敏度曲线，具体是将两组数据建立坐标系得到若干离散点，再将若干离散点拟合，该灵敏度曲线的斜率即为薄膜传感器9的灵敏度值。本步骤也可以获得薄膜传感器9频响，将示波器8的采样频率与实际采样到的薄膜传感器9的上升时间的数据点量进行对比得到频响，具体的假设采样频率为f_s,薄膜传感器9从开始到上升到最高点平均为N个数据点，则薄膜传感器9频响为f_P：f_P＝f_s/(N-1)。

实施例三

本发明提供一种薄膜传感器9标定方法，上述的薄膜传感器标定装置，包括以下步骤：

Step1：打开所述供气设备5给所述高压管体2充气，直至所述膜片4破裂产生激波；

具体的，此步骤前应先将膜片4安装在激波管1高压管体2和低压管体3之间夹紧，将待标定薄膜传感器9、第二标准压力传感器7、温度传感器14平齐安装到测试端面，将第一压力传感器6安装到距离测试端面前1m处的低压管体3内壁上；将半导体制冷片10用硅脂粘贴在与测试端面相对的外端面上，将风扇用硅脂粘贴在半导体制冷片10上；将薄膜传感器9和第二标准压力传感器7的引线从测试端面的端盖引出并接入示波器8采集端，引线穿出端盖的孔部分用密封胶封严，将低压管体3内壁安装的第一压力传感器6接入示波器8触发端并将其设置成触发信号源；该步骤中可以打开真空抽取机13，将低压管体3抽真空，也可以不抽真空。

Step2：第一压力传感器6接收到激波信号并传输到所述示波器触发端从而触发示波器8使其开始采集信号，示波器8记录并存储第二标准压力传感器7和薄膜传感器9的电信号；

具体的，激波经过第一压力传感器6时第一压力传感器6接收到激波信号产生一个阶跃的电信号，该电信号传输给示波器8，示波器8开始工作采集信号，此时观察示波器8，如果示波器8捕捉到了第二标准压力传感器7和薄膜传感器9的上升沿信号且无削波现象，视为数据有效存储数据。

Step3：更换膜片4，并对测试端面加热或制冷以改变温度，温度传感器14记录温度值，待温度稳定时进行下一步骤；

具体的，先拆除旧的膜片4，再换上新的相同的膜片4，增加半导体制冷片10的输入电流，提高温度值，通过对半导体制冷片10输入端正负极对调实现加热或制冷的转换，以改变测试端面的温度。

Step4：重复Step1-Step3若干次，得到若干组数据；

Step5：将每个温度值下薄膜传感器9电信号中最高点的数值与温度值进行拟合，得到薄膜传感器9温度特性曲线；

对比升温和降温至各个温度时的薄膜传感器9电信号中最高点的数值，得到薄膜传感器9的温度迟滞性误差。

具体的保持激波压力不变，在每个温度下的实验中薄膜传感器9电信号曲线图中最高点的数值取出得到一组数据，再将该组数据与对应的温度值建立坐标系进行拟合，即得到薄膜传感器9的温度特性曲线。

在每个温度值下的实验中，对比升温至该温度时在该温度值下的实验中薄膜传感器9电信号曲线图中最高点的数值，和降温至该温度时在该温度值下的实验中薄膜传感器9电信号曲线图中最高点的数值，求出两者的差值，得到所有温度值下实验的一组差值，该一组差值的绝对值中的最大值和薄膜传感器9在该若干次实验中的电信号最大值的比值即为薄膜传感器9温度迟滞性误差。

本步骤中也可测得薄膜传感器9的频响，方法和实施例二中的一样。

本发明即适用于单测点薄膜传感器91、多测点薄膜传感器92的标定，也可以两者一起标定，适应性强。对于多测点薄膜传感器92的标定，各个测点能够保证受力均匀，且一次测试即可完成所有测点的同时标定。对待标定薄膜传感器9的形状无限制，操作简单，通用性强。本发明创造性地运用激波管1的激波压力来进行加载，确保薄膜传感器9测点的加载为阶跃激励，通过与同一平面位置的第二标准压力传感器7进行比对，可以获得待标定薄膜传感器9的频响、灵敏度、温度特性等。如果需要获得薄膜传感器9的准确信号上升时间，采样频率需要越高越好，一般的采集仪无法达到这一要求，采用示波器8可以满足这一采集要求，但是示波器8无法进行连续采集，只能采集示波器8显示窗口内数据，本发明为了能够准确捕捉到薄膜传感器9与第二标准压力传感器7的上升沿信号，通过在激波行进路径设置第一压力传感器6作为采集触发源实现准确捕捉。本发明为了获得薄膜传感器9的温度特性，还创造性地运用半导体制冷片10来对薄膜传感器9环境温度进行控制，从而可以测试不同温度下的薄膜传感器9特性，包括温度迟滞特性，能够更加完善地获得薄膜传感器9的动态特性，对于本发明中的压电式薄膜传感器9的标定来说，我们仅需要对薄膜传感器9粘贴的端面进行加热，因此不需要大范围的加热，这里采用在端盖外端面粘贴半导体制冷片10的方法进行温度控制，它可以实现快速加热，而且它可以通过制冷来降温。本发明对薄膜传感器9的测点数量、形状均无要求，多测点薄膜传感器92在一次测试中可完成各个测点的标定，也可在一次对多个薄膜传感器9进行标定，操作简单，通用性强。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种薄膜传感器标定装置，其特征在于，包括：

激波管，所述激波管包括相连的高压管体和低压管体，所述高压管体和所述低压管体之间设有膜片分隔；

供气设备，用于给所述高压管体充气；

第一压力传感器，设于所述低压管体的内壁上；

第二标准压力传感器，设于测试端面，所述测试端面为所述低压管体远离所述高压管体一端的内端面，待标定的薄膜传感器设于所述测试端面；

示波器，所述薄膜传感器、所述第一压力传感器和所述第二标准压力传感器均与所述示波器电连接；

其中，通过给所述高压管体充气使所述膜片破裂产生激波，所述第一压力传感器为所述示波器的触发信号源，所述示波器接收到所述触发信号源后开始采集所述第二标准压力传感器和所述薄膜传感器的电信号；

包括真空抽取机，用于调节所述低压管体的气压；

包括用于检测高压管体和低压管体气压的气压检测装置；

包括温度传感器和温度调节器，用于检测和调节所述测试端面的温度；所述温度调节器为半导体制冷片，所述半导体制冷片设于所述低压管体与所述测试端面相对的外端面上；

其标定方法包括以下步骤：

Step1：打开所述供气设备给所述高压管体充气，直至所述膜片破裂产生激波；

Step2：所述第一压力传感器接收到激波信号并传输到所述示波器触发端，使得所述示波器开始采集信号，所述示波器记录并存储所述第二标准压力传感器和所述薄膜传感器的电信号；

Step3：更换所述膜片，并对所述测试端面加热或制冷以改变温度，所述温度传感器记录温度值；

Step4：重复Step1-Step3若干次，得到若干组数据；

Step5：将每个温度值下所述薄膜传感器电信号中最高点的数值与温度值进行拟合，得到所述薄膜传感器温度特性曲线；

对比升温和降温至各个温度时的所述薄膜传感器电信号中最高点的数值，得到所述薄膜传感器的温度迟滞性误差。

2.根据权利要求1所述的薄膜传感器标定装置，其特征在于，所述半导体制冷片设有散热装置。

3.根据权利要求1所述的薄膜传感器标定装置，其特征在于，Step3中通过对所述半导体制冷片输入端正负极对调实现加热或制冷。

4.一种薄膜传感器标定方法，基于权利要求1-2任意一项所述的薄膜传感器标定装置，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：打开所述供气设备给所述高压管体充气，直至所述膜片破裂产生激波；Step2：所述第一压力传感器接收到激波信号并传输到所述示波器触发端，使得所述示波器开始采集信号，所述示波器记录并存储所述第二标准压力传感器和所述薄膜传感器的电信号；

Step3：更换所述膜片，并改变所述膜片破裂时产生所述激波时的激波压力；Step4：重复Step1-Step3若干次，得到若干组数据；

Step5：将每组数据中的所述薄膜传感器电信号中最高点的数值和与之对应的所述第二标准压力传感器电信号中最高点的数值进行最小二乘拟合，得到所述薄膜传感器的灵敏度曲线。

5.根据权利要求4所述的薄膜传感器标定方法，其特征在于，Step3中通过更换不同的所述膜片、改变所述低压管体的气压、改变给所述高压管体充气的气体类型中其中任意一种或多种组合的方式改变所述激波压力。

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