CN111551311B - 压力传感器标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力传感器标定装置及标定方法，属于传感器标定技术领域，包括固定支架、待标定的压力传感器、提升组件、滑轮组件、施力触头和标定处理器；待标定的压力传感器安装在固定支架上；提升组件与固定支架滑动相连；滑轮组件包括定滑轮组和滑轮绳，提升组件和砝码座连接在滑轮绳的两端；施力触头安装在提升组件上，随提升组件向上移动，与上方的压力传感器接触；标定处理器采集压力传感器的输出信号，对压力传感器进行标定。本发明提供的压力传感器标定装置，无需使用额外的传感器，即可对压力传感器进行标定，节约了制作成本，降低了使用难度；利用滑轮组件使提升组件自动上升，减少了人为干预带来的误差，提高了标定结果的准确性。

Description

压力传感器标定装置及标定方法

技术领域

本发明属于压力传感器标定技术领域，更具体地说，是涉及一种压力传感器标定装置及基于该标定装置的标定方法。

背景技术

灵巧手作为智能机器人的终端感知和抓持工具，具有很高的灵巧性、通用性和适应性，能够完成各种不同的抓取和操作任务，被广泛应用于危险环境探测、外太空探索、物流搬运、工业装配、康复医疗、智能制造以及农业采摘等领域。

灵巧手在抓取操作中，既要能够避免因抓取力过小而导致被抓物体滑落，也要防止因抓取力过大对被抓物体造成损伤，这就要求灵巧手能够以最小力稳定抓取物体。为了能够实现最小力抓取，灵巧手必须具有抓取力感知能力。一种行之有效的方法是将FSR压力传感器安装在灵巧手的手指上，用来感知手指是否与物体接触以及抓取过程中接触力的变化。FSR压力传感器在使用前需要对其输入输出特性进行标定，通过标定获得FSR压力传感器电压响应信号与输入压力信号之间的非线性函数表达。

目前已公开报道的压力传感器标定装置尚存在很大的不足：

(1)利用六维力传感器测量外部输入压力，六维力传感器动辄上万元，整套标定装置制作成本过高。

(2)利用电子秤测量外部输入压力，相较于采用六维力传感器的方案极大的节约了标定装置制作成本，但是电子秤测力精度不高，且该技术需要在标定工作开始之前进行人工调零，导致标定结果存在机械误差和人为误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压力传感器标定装置，旨在解决现有的标定装置制作成本高、精度差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种压力传感器标定装置，包括：固定支架、待标定的压力传感器、提升组件、滑轮组件、施力触头和标定处理器；待标定的压力传感器安装在所述固定支架上；提升组件与所述固定支架滑动相连；滑轮组件用于牵引所述提升组件沿所述固定支架升降，所述滑轮组件包括安装在所述固定支架上的定滑轮组和绕过所述定滑轮组的滑轮绳，所述滑轮绳的一端连接所述提升组件，所述滑轮绳的另一端连接用于承托不同施力块的砝码座；施力触头安装在所述提升组件上，且位于所述压力传感器的正下方，所述施力触头随所述提升组件向上移动，与上方的所述压力传感器接触；标定处理器与所述压力传感器连接，用于采集所述压力传感器的输出信号，并根据所述输出信号对所述压力传感器进行标定。

作为本申请另一实施例，所述定滑轮组包括两个处于同一水平面的定滑轮。

作为本申请另一实施例，所述砝码座上放置有用于对所述标定装置进行调零的配重块。

作为本申请另一实施例，所述固定支架包括竖直放置的安装板、与所述安装板垂直且水平布置的底板、垂直安装于所述底板上的立柱以及安装于所述立柱上端的支撑板，所述支撑板与所述底板平行，所述压力传感器安装在所述支撑板的下表面，所述提升组件沿所述立柱上下移动，所述定滑轮组的轮轴垂直安装在所述安装板上。

作为本申请另一实施例，所述底板上设有用于固定所述立柱的定位套，所述立柱与所述定位套插接或螺纹连接。

作为本申请另一实施例，所述提升组件包括与所述立柱滑动连接的移动板、穿过所述支撑板的导向杆以及连接于所述导向杆上端的提升板，所述提升板位于所述支撑板的上方，所述移动板与所述支撑板平行，所述施力触头安装在所述移动板的上表面，所述滑轮绳与所述提升板相连。

作为本申请另一实施例，所述导向杆为双头螺杆，所述移动板和所述提升板均通过螺母与所述导向杆固定连接。

本发明另一目的在于提供一种所述的压力传感器标定装置的标定方法，所述标定方法包括：

获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器的电压值；

对各个预设重量的砝码的重力值对应的电压值，采用拟合函数y(x)＝a*e^bx+c*e^dx进行拟合，得到各个砝码的重力值与对应的电压值的电压输出特性函数表达式：

V(F)＝2.704*e^0.01277F-3.106*e^-0.8023F……(1)。

作为本申请另一实施例，在所述获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器的电压值之前，在所述砝码座上施加配重块，对所述标定装置进行调零，具体包括：

所述提升组件在所述配重块的拉力下，带动所述施力触头向上移动，当所述提升组件和所述施力触头的重量和与所述配重块和所述砝码座的重量和达到平衡状态时，所述施力触头与所述压力传感器接触，且所述施力触头未对所述压力传感器施加压力，所述压力传感器输出的电压值为零。

作为本申请另一实施例，所述获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器的电压值，具体包括：

重复施加同一预设重量的砝码，获得同一预设重量的砝码对应的多个电压值的平均值，得到不同预设重量的砝码的重力值分别对应的电压平均值的

坐标点，拟合得到所述压力传感器的输出特性函数表达式(1)；

利用不同预设重量的砝码的重力值与对应的电压平均值的

坐标点，采用所述拟合函数拟合，得到所述压力传感器的压力输入特性的函数表达式为：

F(V)＝0.2976*e^0.7858V+0.00018*e^3.391V……(2)。

本发明提供的压力传感器标定装置及标定方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明压力传感器标定装置及标定方法，在砝码座上更换不同预设重量的砝码，砝码在自重的作用下拉动滑轮绳，带动连接在滑轮绳一端的提升组件上移，使施力触头与压力传感器接触并发生碰撞，与压力传感器连接的标定处理器即可获得施力触头施加到压力传感器的压力值，通过更换不同重量的砝码，得到对应压力值，通过拟合，即可获得压力传感器的电压输出特性函数表达式。

本发明只需要安装一个待标定的压力传感器，无需使用额外的传感器，即可对待标定的压力传感器进行标定，节约了制作成本，降低了使用难度；同时，本发明利用滑轮组件实现提升组件在砝码的自重下自动上升，减少了人为干预带来的误差，提高了标定结果的准确性。

本发明提供的标定装置，结构简单，操作简便，经济实用，标定可靠性高，易于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的压力传感器标定装置未标定时的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的压力传感器标定装置调零状态的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压力传感器标定装置施加不同重量的砝码对应获得的压力传感器的电压值的表格图；

图4为本发明所示的压力传感器的

拟合曲线图；

图5为本发明所示的压力传感器的

拟合曲线图。

图中：1、安装板；2、底板；3、定位套；4、立柱；5、移动板；6、滑块；7、施力触头；8、支撑板；9、固定套；10、压力传感器；11、提升板；12、导向杆；13、螺母；14、标定处理器；15、定滑轮；16、滑轮绳；17、砝码座；18、配重块。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的压力传感器标定装置进行说明。所述压力传感器标定装置，包括固定支架、待标定的压力传感器10、提升组件、滑轮组件、施力触头7和标定处理器14；待标定的压力传感器10安装在固定支架上；提升组件与固定支架滑动相连；滑轮组件用于牵引提升组件沿固定支架升降，滑轮组件包括安装在固定支架上的定滑轮组和绕过定滑轮组的滑轮绳16，滑轮绳16的一端连接提升组件，滑轮绳16的另一端连接用于承托不同施力块的砝码座17；施力触头7安装在提升组件上，且位于压力传感器10的正下方，施力触头7随提升组件向上移动，与上方的压力传感器10接触；标定处理器14与压力传感器10连接，用于采集压力传感器10的输出信号，并根据输出信号对压力传感器10进行标定。

本发明提供的压力传感器标定装置，与现有技术相比，本发明压力传感器标定装置，标定时，在砝码座17上更换不同预设重量的砝码，砝码在自重的作用下拉动滑轮绳16，带动连接在滑轮绳16一端的提升组件上移，使施力触头7与压力传感器10接触并发生碰撞，与压力传感器10连接的标定处理器14即可获得施力触头7施加到压力传感器10的压力值，通过更换不同重量的砝码，得到对应压力值，通过拟合，即可获得压力传感器10的电压输出特性函数表达式。

本发明只需要安装一个待标定的压力传感器10，无需使用额外的传感器，即可对待标定的压力传感器10进行标定，节约了制作成本，降低了使用难度；同时，本发明利用滑轮组件实现提升组件在砝码的自重下自动上升，减少了人为干预带来的误差，提高了标定结果的准确性。

本发明提供的标定装置，结构简单，操作简便，制作成本低，经济实用，标定可靠性高，易于推广。

其中，标定处理器14为终端设备。

作为本发明提供的压力传感器标定装置的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，定滑轮组包括两个处于同一水平面的定滑轮15。通过设置两个定滑轮15，施加到施力块上的重力方向与提升组件的提升方向相反，提升组件在施加的砝码的自重的作用下，即可使提升组件上升，无需人为干预，避免人为干预造成的误差，提高标定结果的准确性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，砝码座17上放置有用于对标定装置进行调零的配重块18。对标定装置的调零，可以提高标定结果的准确性，避免施加的砝码的重量与压力传感器10输出的压力值不对应的问题。本实施例中，砝码座17连接在滑轮绳16的另一端，砝码座17的作用一方面使滑轮绳16处于张紧的状态，另一方面，为砝码和配重块18的施加提供一个平台，砝码座17不足以将提升组件及施力触头7提起，需要根据力的平衡原理，找到一个平衡点，因此，标定装置在未投入使用时，或在出厂前，通过实验或计算，需要设计一个配重块，在砝码座17上施加配重块18后，提升组件在配重块的作用下，正好带动施力触头7上升与压力传感器10轻轻接触，此时，施力触头7正好与压力传感器10接触，但是没有对压力传感器10施加压力，也即，压力传感器10的输出电压为零。在标定时，将配重块先施加到砝码座17上，再施加砝码，此时，砝码的重量与施加到压力传感器10的重量相等，压力传感器10输出的电压能够与砝码的重量一一对应，大大提高标定结果的准确性。本实施例中，配重块18与砝码座17的重量和等于提升组件和施力触头7的重量和。特别地，当标定装置调零后，滑轮组两侧的滑轮绳16的长度相等，施力触头7恰好接触到压力传感器10。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1及图2，固定支架包括竖直放置的安装板1、与安装板1垂直且水平布置的底板2、垂直安装于底板2上的立柱4以及安装于立柱4上端的支撑板8，支撑板8与底板2平行，压力传感器10安装在支撑板8的下表面，提升组件沿立柱4上下移动，定滑轮组的轮轴垂直安装在安装板1上。本实施例中，安装板1用于安装滑轮组，底板2用于支撑立柱4、提升组件及支撑板8。立柱4可以为两根、三根或四根，立柱4的形状可以为圆柱或正多边形柱，其形状不做限制，提升组件设置对应的立柱4穿过的孔即可。

本实施例中，支撑板8可以与安装板1固定，也可以不固定，在此不做限制。其中，支撑板的两端可以设有固定套9，立柱穿过固定套9且与固定套9固定连接。其中，立柱的上端可以设置外螺纹，立柱穿过固定套后，在支撑板的上下表面用螺母固定。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，底板2上设有用于固定立柱4的定位套3，立柱4与定位套3插接或螺纹连接。其中，定位套3可以焊接在底板2上，也可以通过螺栓连接在底板2上，立柱4与底板2借助定位套3安装固定，拆装简单方便。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，提升组件包括与立柱4滑动连接的移动板5、穿过支撑板8的导向杆12以及连接于导向杆12上端的提升板11，提升板11位于支撑板8的上方，移动板5与支撑板8平行，施力触头7安装在移动板5的上表面，滑轮绳16与提升板11相连。其中，为使移动板与立柱滑动顺畅，在移动板的两端固定滑块6，滑块6上设有安装轴承的通孔，移动板借助轴承沿立柱滑动，大大减小摩擦阻力，进一步提高标定结果的可靠性和精确性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，导向杆12为双头螺杆，移动板5和提升板11均通过螺母13与导向杆12固定连接。本实施例采用螺母13连接的方式，在双头螺杆的上下两端，分别设有两个紧固和调节移动板5和提升板11的螺母13，通过调节螺母13，可以调节移动板5至支撑板8之间的距离，也可以调节移动板5与提升板11之间的距离，也即可以调节提升组件的重心的高度，保证调零完成后的施力触头7恰好接触到压力传感器10，提高调零操作的精度。

本发明还提供一种压力传感器标定装置的标定方法，所述标定方法包括：

步骤一，在砝码座17上施加配重块，对标定装置进行调零，具体包括：

将配重块18放置在砝码座17上，滑轮组两侧的荷载重量相同，根据力的平衡原理，提升组件在配重块18的拉力下，带动施力触头7向上移动，当提升组件和施力触头7的重量和与配重块18和砝码座17的重量和达到平衡状态时(平衡表达式为：提升组件与施力触头的重量和等于配重块18和砝码座17的重量和)，施力触头7与压力传感器10接触，且施力触头7未对压力传感器10施加压力，压力传感器10输出的电压值为零；其中，根据压力传感器10的工作原理，其零输出实则为在零电压上下极小置信区间的波动数字，统计量为零；

步骤二，获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器10的电压值；

(1)将压力传感器10的信号输出端通过NI数据采集卡连接到标定处理器14；

(2)将20g的标准砝码放置于配重块18上，砝码带动施力触头7向上与压力传感器10接触，稳定后采集压力传感器10的电压响应信号；

(3)重复(2)的操作10次，对采集到的压力传感器10的电压响应信号求平均值，得到20g标准砝码对应的

坐标点；其中，F为砝码的重量，

为压力传感器10输出的电压值的平均值；

(4)分别将50g、100g、200g、250g、300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、1000g、1500g的标准砝码放置于配重块18上，重复(3)的操作，得到十三个标准砝码对应的

坐标点；

(5)对图3所示的十四个坐标点采用拟合函数y(x)＝a*e^bx+c*e^dx进行拟合，拟合得到的曲线如图4所示，得到压力传感器10的电压输出特性函数表达式为：

V(F)＝2.704*e^0.01277F-3.106*e^-0.8023F……(1)

(6)考虑在实际应用中，得到的通常是传感器的电压响应数据，需要根据输出特性函数表达式反推对应的接触力，利用图3的数据得到十四个

坐标点，同样采用拟合函数y(x)＝a*e^bx+c*e^dx进行拟合，拟合得到的曲线如图5所示，得到压力传感器10的第二种输出特性函数表达式为：

F(V)＝0.2976*e^0.7858V+0.00018*e^3.391V……(2)。

本发明中，如果一个砝码仅仅操作一次，则得到的电压值即为V，如果操作多次，得到的电压值为

因此，公式(1)、(2)以及图4图5中的电压值根据实际测得的电压值可以是单个值，也可以为平均值，因此，公式中的电压符号未写成平均值的符号。

上述实施例中，每个砝码的操作次数不限于10次，也即可以为7次、8次、9次、10次、11次等整数系列；砝码的重量选取也不限于上述列举的系列。

本发明提供的标定方法，利用配重块对标定装置进行调零，提高标定结果的准确性；标定时，每个重量的砝码均重复多次，并取获得的电压值的平均值，通过重复操作和取平均值，提高标定结果的准确可靠性；在标定操作时，只需将砝码放到配重块上，提升组件在砝码自重的作用下即可将施力触头7提升到与压力传感器10接触，无需人为介入，也无需使用额外的传感器，不仅操作简单，使用方便，更是避免了人为介入导致的误差，进一步提高了标定结果的可靠性和精确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.压力传感器标定装置，其特征在于，包括：

固定支架；

待标定的压力传感器，安装在所述固定支架上；

提升组件，与所述固定支架滑动相连；

滑轮组件，用于牵引所述提升组件沿所述固定支架升降，所述滑轮组件包括安装在所述固定支架上的定滑轮组和绕过所述定滑轮组的滑轮绳，所述滑轮绳的一端连接所述提升组件，所述滑轮绳的另一端连接用于承托不同施力块的砝码座；

施力触头，安装在所述提升组件上，且位于所述压力传感器的正下方，所述施力触头随所述提升组件向上移动，与上方的所述压力传感器接触；

标定处理器，与所述压力传感器连接，用于采集所述压力传感器的输出信号，并根据所述输出信号对所述压力传感器进行标定。

2.如权利要求1所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述定滑轮组包括两个处于同一水平面的定滑轮。

3.如权利要求1所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述砝码座上放置有用于对所述标定装置进行调零的配重块。

4.如权利要求1所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述固定支架包括竖直放置的安装板、与所述安装板垂直且水平布置的底板、垂直安装于所述底板上的立柱以及安装于所述立柱上端的支撑板，所述支撑板与所述底板平行，所述压力传感器安装在所述支撑板的下表面，所述提升组件沿所述立柱上下移动，所述定滑轮组的轮轴垂直安装在所述安装板上。

5.如权利要求4所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述底板上设有用于固定所述立柱的定位套，所述立柱与所述定位套插接或螺纹连接。

6.如权利要求4所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述提升组件包括与所述立柱滑动连接的移动板、穿过所述支撑板的导向杆以及连接于所述导向杆上端的提升板，所述提升板位于所述支撑板的上方，所述移动板与所述支撑板平行，所述施力触头安装在所述移动板的上表面，所述滑轮绳与所述提升板相连。

7.如权利要求6所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述导向杆为双头螺杆，所述移动板和所述提升板均通过螺母与所述导向杆固定连接。

8.基于如权利要求1-7任一项所述的压力传感器标定装置的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括：

获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器的电压值；

对各个预设重量的砝码的重力值对应的电压值，采用拟合函数y(x)＝a*e^bx+c*e^dx进行拟合，得到各个砝码的重力值与对应的电压值的电压输出特性函数表达式：

V(F)＝2.704*e^0.01277F-3.106*e^-0.8023F……(1)。

9.如权利要求8所述的压力传感器标定装置的标定方法，其特征在于，所述获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器的电压值之前，在所述砝码座上施加配重块，对所述标定装置进行调零，具体包括：

所述提升组件在所述配重块自重的作用下，带动所述施力触头向上移动，当所述提升组件和所述施力触头的重量和与所述配重块和所述砝码座的重量和达到平衡状态时，所述施力触头与所述压力传感器接触，且所述压力传感器输出的电压值为零。

10.如权利要求9所述的压力传感器标定装置的标定方法，其特征在于，所述获取多个预设重量的砝码分别对应的压力传感器的电压值，具体包括：

重复施加同一预设重量的砝码，获得同一预设重量的砝码对应的多个电压值的平均值，得到不同预设重量的砝码的重力值分别对应的电压平均值的

坐标点，拟合得到所述压力传感器的输出特性函数表达式(1)；

利用不同预设重量的砝码的重力值与对应的电压平均值的

坐标点，采用所述拟合函数拟合，得到所述压力传感器的压力输入特性的函数表达式为：

F(V)＝0.2976*e^0.7858V+0.00018*e^3.391V……(2)。

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