CN113532733B - 一种薄膜式压力传感器校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜式压力传感器校准装置及校准方法，该校准装置包括支撑组件、调平组件以及调压组件；支撑组件包括基座以及竖直设置于基座上的立柱；调平组件包括与立柱转动连接的平衡杆以及穿设于平衡杆上且可沿平衡杆来回移动的平衡块；调压组件包括竖直设置且与平衡杆转动连接的顶针、设置于顶针顶部的托盘、放置于托盘上的调压件以及用于夹压待校准薄膜式压力传感器的垫片，顶针和平衡块分别位于立柱的两侧。利用前述校准装置对薄膜式压力传感器进行压力响应校准。该校准装置及校准方法可用于实现各类薄膜式压力传感器的压力响应校准，同时能够校准不同温度下的压力响应，避免温度漂移的影响，实现不同温度条件下的压力精准测量。

Description

一种薄膜式压力传感器校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于压力传感技术领域，涉及压力传感器的校准设备，具体涉及一种薄膜式压力传感器校准装置及校准方法。

背景技术

随着科技发展和对柔性薄膜式压力传感技术需求的提高，薄膜式压力传感器被广泛的应用于可穿戴电子设备领域，实现人体脉搏、心跳等生理信号的健康检测；机器人领域，实现机器人触觉感知；智能床垫、智能浴缸等智能家居用品领域；工业检测领域；科研领域等方面。

而现有薄膜式压力传感器种类繁多，主要包含：电容型、电阻型、压电型以及摩擦电型四个主要类型。不同种类的薄膜式压力传感器传感机制不同，导致其灵敏度、空间分辨率和压力响应范围都有较大差别。而针对同一类型传感器，受传感材料和生产工艺的影响，即使是同批生产的传感器产品，其压力响应也会有所差异。此外，由于受到传感器材料热力学特性的影响，薄膜式压力传感器的压力响应存在温度漂移的现象。因此，薄膜式压力传感器在生产时和长期使用后都需要对其校准，从而保证薄膜式压力传感器反应的压力状况贴近真实压力。

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，回增加标定点个数，从而使标定流程更为复杂。此外这种校准方式不便于日常灵活使用，从而导致压力传感器长时间使用后需要校准时还得将传感器拿回工厂或实验室进行校准，不方便对压力传感器进行现场校准，增加使用成本。

因此，亟需开发适用于不同传感器类型、不同压力响应范围，并能考虑温度漂移影响的薄膜式压力传感器校准装置及校准方法。

发明内容

针对现有技术中压力传感器校准标定流程复杂，不便于灵活使用等问题，本发明的目的是解决上述问题，提供一种薄膜式压力传感器校准装置及校准方法，该校准装置及校准方法可用于实现各类薄膜式压力传感器的压力响应校准，同时能够校准不同温度下的压力响应，避免温度漂移的影响，实现不同温度条件下的压力精准测量。

为达到上述目的，本发明提供的一种薄膜式压力传感器校准装置，包括支撑组件、调平组件以及调压组件；

所述支撑组件包括基座以及竖直设置于基座上的立柱；

所述调平组件包括与立柱转动连接的平衡杆以及穿设于平衡杆上且可沿平衡杆来回移动的平衡块；

所述调压组件包括竖直设置且与平衡杆转动连接的顶针、设置于顶针顶部的托盘、放置于托盘上的调压件以及用于夹压待校准薄膜式压力传感器的垫片，所述顶针和平衡块分别位于立柱的两侧，所述垫片包括相对设置于顶针底端和基座上表面的上垫片和下垫片。

上述薄膜式压力传感器校准装置，使用时，将待校准薄膜式压力传感器放置于基座上，其传感区域夹压于上垫片和下垫片之间，同时待校准薄膜式压力传感器外接电阻测试设备即可。为便于校准不同温度下的压力响应，避免温度漂移的影响，实现不同温度条件下的压力精准测量，该校准装置还包括温度控制箱，所述支撑组件、调平组件以及调压组件均设置于温度控制箱中，通过温度控制箱精确调控待校准薄膜式压力传感器所处温度环境，进而避免温度漂移对薄膜式压力传感器在不同温度下进行压力测试造成的影响。

上述薄膜式压力传感器校准装置，为便于适用于不同形状、面积传感区域的薄膜式压力传感压力响应的校准，所述上垫片和下垫片优选与待校准薄膜式压力传感器的传感区域形状、面积相适配，如平面、曲面或球面。为便于更换垫片，优选地，所述上垫片与顶针可拆卸连接，所述下垫片与基座可拆卸连接。所述可拆卸连接进一步优选为螺纹连接。在进行校准时只需选取与被测薄膜式压力传感器传感区域形状、面积相适配的垫片，再将垫片分别与顶针、基座固定连接即可。

上述薄膜式压力传感器校准装置，在保证顶针始终保持竖直向下的基础上，平衡杆与立柱、顶针转动连接的具体实施方式可以采用本领域技术人员所熟知的实施方式，并无特殊的限制。本发明中，所述平衡杆优选通过销杆与立柱、顶针实现转动连接。所述销杆优选采用金属材料制成。

上述薄膜式压力传感器校准装置，为保证装置重心稳定，优选所述顶针的纵轴线位于基座的中心位置。进一步地，所述基座、立柱、平衡杆、平衡块、顶针以及垫片优选采用金属材料制成，所述托盘优选采用塑料制成，为进一步保证装置重心稳定性，所述基座的质量应远高于其他部件。

上述薄膜式压力传感器校准装置，托盘主要用于放置调压件，所述调压件优选为砝码。砝码自身标重，便于根据实际所需快速调节施加于待校准薄膜式压力传感器的压力。

本发明还提供了一种薄膜式压力传感器校准方法，使用前述薄膜式压力传感器校准装置对薄膜式压力传感器进行压力响应的校准，包括以下步骤：

(1)平衡调节

调节平衡块位置，使平衡杆处于水平状态；

(2)安置传感器

将待校准薄膜式压力传感器放置于基座上且其传感区域与下垫片紧密贴合，待校准薄膜式压力传感器外接电阻测试设备；

(3)压力响应校准

根据待校准薄膜式压力传感器标称压力测试范围，选取若干个不同质量的调压件，在室温环境下分别依次放置于托盘上，使上垫片压置于待校准薄膜式压力传感器的传感区域上，电阻测试设备测试传感器输出电阻值，记录所放置的调压件质量以及相对应的传感器输出阻值；

(4)温度漂移校准

将支撑组件、调平组件以及调压组件所组成的校准装置连同待校准薄膜式压力传感器放置于温度控制箱中，外接的电阻测试设备位于温度控制箱外，将调压件分别依次放置于托盘上，使上垫片压置于待校准薄膜式压力传感器的传感区域上，调节温度控制箱温度并待箱内温度达到稳定后，电阻测试设备测试传感器输出电阻值，记录所放置的调压件质量以及相对应的传感器输出阻值；每次更换调压件后均需待箱内温度达到稳定后再测量传感器输出阻值；

(5)绘制不同温度压力-电阻校准曲线

根据步骤(3)和步骤(4)获取的压力值和电阻值，以压力值为横坐标、以电阻值为纵坐标进行指数拟合，分别绘制各温度下的薄膜式压力传感器压力-电阻校准曲线。

上述薄膜式压力传感器校准方法，所述电阻测试设备可以采用本领域中常用的电阻测试仪、万用表等具备电阻测试功能的器件。本发明中优选采用万用表进行传感器输出电阻值的测试。

上述薄膜式压力传感器校准方法，调压件的选取数量通常为6-8个。

与现有技术相较，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明提供的薄膜式压力传感器校准装置，通过顶针及垫片将调压件压力传导至传感器的传感区域，通过更换不同质量的调压件即可改变传导至传感器传感区域的压力，校准效果稳定，可校准压力响应范围广。

(2)本发明提供的薄膜式压力传感器校准装置，通过设置温度控制箱，将其它组件放置于温度控制箱内，再通过温度控制箱调节待校准薄膜式压力传感器的环境温度，即可实现对不同温度环境下的薄膜式压力传感器进行力学响应校准，可以避免温度漂移对薄膜式压力传感器在不同温度下进行压力测试造成的影响。

(3)本发明提供的薄膜式压力传感器校准装置，该校准装置的上下垫片可根据薄膜式压力传感器的实际应用场景，更换为平面、曲面、球面，可适用于不同形状、面积传感区域及不同压力测试场景的薄膜式压力传感压力响应的校准。

(4)本发明提供的薄膜式压力传感器校准装置，整体结构简单，操作便捷，其中电阻测试设备、温度控制箱等均为本领域常用设备部件，对设备无特殊要求，对压力传感器可进行现场校准，降低使用成本。

(5)本发明提供的薄膜式压力传感器校准方法，基于本发明提供的薄膜式压力传感器校准装置，为薄膜式压力传感器的力学响应提供了一种标准化的校准方法，步骤简单，可重复性高。

(6)整体而言，本发明提供的校准装置设计巧妙、组成简单，校准方法安全易操作，可适用于不同类型、不同压力响应范围、不同应用场景和不同应用温度下的薄膜式压力传感器进行力学响应校准，从而保证传感器在多种应用场景下进行压力的精确测量。

附图说明

图1是实施例1中薄膜式压力传感器校准装置的结构示意图；

图2是实施例1中薄膜式压力传感器校准装置(具有温度控制箱)的结构示意图；

图3是实施例1和实施例2中待校准薄膜式压力传感器示意图；

图4是实施例2中得到的不同温度下的薄膜式传感器压力-电阻校准曲线；

附图标记说明：1、基座；2、立柱；3、平衡杆；4、平衡块；5、销杆Ⅰ；6、销杆Ⅱ；7、顶针；8、托盘；9、调压件；10、垫片；11、温度控制箱；12、待校准薄膜式压力传感器；13、电阻测试设备；14、杜邦线；15、传感区域；16、引线；17、接线端子；18、外壳。

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

在以下实施例中，拟对某型号薄膜式压力传感器进行25℃及80℃下的力学响应进行校准，其结构组成如图3所示，包括传感区域15、引线16、接线端子17以及外壳18。该薄膜式压力传感器的传感区域15为圆形，直径9.53mm。引线16长191mm，接线端子17为双端子，外壳18厚度为0.20mm，标称测试压力范围为0-22N。

实施例1

本实施例提供的一种薄膜式压力传感器校准装置，如图1-2所示，包括支撑组件、调平组件、调压组件以及温度控制箱11。

支撑组件包括基座1和立柱2。立柱2竖直固定设置于基座1上。立柱2可与基座1可拆卸连接，如螺纹连接，也可以直接焊接于基座1上。立柱2上开设有用于与平衡杆3连接的通孔。立柱2与基座1均采用金属材料制成。

调平组件包括平衡杆3、平衡块4、销杆Ⅰ5以及销杆Ⅱ6。平衡杆3的左部和右部分别开设有通孔。销杆Ⅰ5穿过平衡杆3右部上的通孔和立柱2上的通孔使平衡杆3和立柱2实现转动连接。平衡杆3可以以销杆Ⅰ5为圆心转动。平衡块4中心位置处开设有与平衡杆3横截面形状及尺寸相适配的通孔，平衡块4通过该通孔装配于平衡杆3上，并可沿平衡杆3的右臂上来回移动。平衡杆3、平衡块4、销杆Ⅰ5以及销杆Ⅱ6均采用金属材料制成。对薄膜式压力传感器进行压力响应校准前，首先需调节平衡块4的位置，使平衡杆3保持水平。若平衡杆3左臂向下偏移，则应将平衡块4缓慢向外侧移动。反之，若平衡杆3右臂向下偏移，则应将平衡块4缓慢向内侧移动，直至平衡杆3保持水平。

调压组件包括顶针7、托盘8、调压件9以及垫片10。顶针7上部开设有通孔，销杆Ⅱ6穿过顶针7上部的通孔和平衡杆3左部上的通孔使平衡杆3和顶针7实现转动连接。顶针7的纵轴线位于基座1的中心位置。当平衡杆3转动时，顶针7始终保持竖直向下。顶针7顶部与托盘8下表面的中心位置固定连接。托盘8用于放置调压件9。调压件9采用砝码，可根据实际需要校准压力选择调压件9重量，本实施例中，待校准薄膜式压力传感器12的标称测试压力范围为0-22N，因而，选取质量为250g、500g、1000g、1500g、2000g、2500g的六个砝码。垫片10用于夹压待校准薄膜式压力传感器12，包括上垫片和下垫片。上垫片中心位置通过螺纹与顶针7底端连接，下垫片通过螺纹与基座1固定连接，且下垫片位于上垫片的正下方。上垫片和下垫片为一对直径为9.5mm、厚度为5mm的圆形平面垫片。顶针7和垫片采用金属材料制成。托盘8采用塑料制成。此外，基座1的质量远大于其它部件的质量以保证装置的整体稳定性。

使用时，将待校准薄膜式压力传感器12放置于基座1上，使其传感区域15与下垫片保持紧密贴合。待校准薄膜式压力传感器12外接电阻测试设备13。当进行温度漂移校准时，将支撑组件、调平组件以及调压组件安装于温度控制箱11内即可。此时，外接的电阻测试设备13位于温度控制箱11外。本实施例中，电阻测试设备13为万用表。校准薄膜式压力传感器和电阻测试设备13采用杜邦线14进行连接，杜邦线14的一端连接待校准薄膜式压力传感器12的接线端子17，另一端与万用表连接。而后依次将不同质量的调压件9缓慢放置于托盘8上，待装置稳定后，使用万用表测量待校准薄膜式压力传感器12的接线端子17处电阻值，即可获得室温下不同压力下传感器的压力响应。

实施例2

本实施例提供的薄膜式压力传感器校准方法，采用实施例1提供的薄膜式压力传感器校准装置对某型号薄膜式压力传感器进行室温(25℃)和80℃下的力学响应校准。具体包括以下步骤：

(1)平衡调节

调节平衡块4位置，使平衡杆3处于水平状态：若平衡杆3左臂向下偏移，则应将平衡块4缓慢向外侧移动。反之，若平衡杆3右臂向下偏移，则应将平衡块4缓慢向内侧移动，直至平衡杆3保持水平。

(2)安置传感器

将待校准薄膜式压力传感器12放置于基座1上，且其传感区域15与下垫片紧密贴合，待校准薄膜式压力传感器12连接万用表；

(3)压力响应校准

待校准薄膜式压力传感器12标称压力测试范围为0-22N，因而调压件9选取质量为500g、1000g、1500g、2000g、2500g、3000g的砝码。在室温环境下将砝码按质量大小依次放置于托盘8上，使上垫片压置于待校准薄膜式压力传感器12的传感区域15上，使用万用表测试传感器输出电阻值，记录施加砝码质量及相应的传感器输出阻值。

(4)温度漂移校准

将支撑组件、调平组件以及调压组件所组成的校准装置连同待校准薄膜式压力传感器12放置于温度控制箱11中，外接的电阻测试设备13位于温度控制箱11外，设置温度控制箱11温度为80℃，待温度控制箱11内温度达到稳定后将500g砝码放置于托盘8上，待温度稳定10分钟后，使用万用表14测试传感器输出电阻值，记录施加砝码质量及相对应的传感器输出阻值。再依次更换1000g、1500g、2000g、2500g、3000g的砝码，每次更换后需待温度稳定10分钟后，记录砝码质量及传感器输出阻值。

(5)绘制不同温度压力-电阻校准曲线

根据F＝mg计算步骤(3)、(4)获得的25℃、80℃下待校准薄膜式压力传感器压力-电阻对应关系如表1所示，为方便计算本实施例中取g＝10m/s²。根据表1所示压力-电阻对应关系，以压力值为横坐标、以电阻值为纵坐标进行指数拟合，分别绘制各个温度下的薄膜式压力传感器压力-电阻校准曲线，如图4所示。

表1待校准薄膜式压力传感器压力-电阻对应关系

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种薄膜式压力传感器校准装置，其特征在于：包括支撑组件、调平组件以及调压组件；

所述支撑组件包括基座(1)以及竖直设置于基座(1)上的立柱(2)；

所述调平组件包括与立柱(2)转动连接的平衡杆(3)以及穿设于平衡杆(3)上且可沿平衡杆(3)来回移动的平衡块(4)，所述平衡杆(3)通过销杆与立柱(2)转动连接，顶针(7)通过销杆与平衡杆(3)转动连接；

所述调压组件包括竖直设置且与平衡杆(3)转动连接的顶针(7)、设置于顶针(7)顶部的托盘(8)、放置于托盘(8)上的调压件(9)以及用于夹压待校准薄膜式压力传感器(12)的垫片(10)，所述顶针(7)和平衡块分别位于立柱(2)的两侧，所述顶针(7)的纵轴线位于基座(1)的中心位置，所述垫片(10)包括相对设置于顶针(7)底端和基座(1)上表面的上垫片和下垫片；待校准薄膜式压力传感器放置于基座上，其传感区域夹压于上垫片和下垫片之间，同时待校准薄膜式压力传感器外接电阻测试设备；

所述薄膜式压力传感器校准装置对薄膜式压力传感器进行压力响应的校准，包括以下步骤：

(1)平衡调节

调节平衡块位置，使平衡杆(3)处于水平状态；

调节平衡块(4)位置，使平衡杆(3)处于水平状态：若平衡杆3左臂向下偏移，则应将平衡块(4)缓慢向外侧移动；反之，若平衡杆(3)右臂向下偏移，则应将平衡块(4)缓慢向内侧移动，直至平衡杆(3)保持水平；

(2)安置传感器

将待校准薄膜式压力传感器(12)放置于基座(1)上且其传感区域(15)与下垫片紧密贴合，待校准薄膜式压力传感器(12)外接电阻测试设备(13)；

(3)压力响应校准

根据待校准薄膜式压力传感器(12)标称压力测试范围，选取若干个不同质量的调压件(9)，在室温环境下分别依次放置于托盘(8)上，使上垫片压置于待校准薄膜式压力传感器(12)的传感区域(15)上，电阻测试设备(13)测试传感器输出电阻值，记录所放置的调压件(9)质量以及相对应的传感器输出阻值；

(4)温度漂移校准

将支撑组件、调平组件以及调压组件所组成的校准装置连同待校准薄膜式压力传感器(12)放置于温度控制箱(11)中，外接的电阻测试设备(13)位于温度控制箱(11)外，将调压件(9)分别依次放置于托盘(8)上，使上垫片压置于待校准薄膜式压力传感器(12)的传感区域(15)上，调节温度控制箱(11)温度并待箱内温度达到稳定后，电阻测试设备(13)测试传感器输出电阻值，记录所放置的调压件(9)质量以及相对应的传感器输出阻值；每次更换调压件(9)后均需待箱内温度达到稳定后再测量传感器输出阻值；

(5)绘制不同温度压力-电阻校准曲线

根据步骤(3)和步骤(4)获取的压力值和电阻值，以压力值为横坐标、以电阻值为纵坐标进行指数拟合，分别绘制各温度下的薄膜式压力传感器压力-电阻校准曲线。

2.根据权利要求1所述的薄膜式压力传感器校准装置，其特征在于：该校准装置还包括温度控制箱(11)，所述支撑组件、调平组件以及调压组件均设置于温度控制箱(11)中。

3.根据权利要求1所述的薄膜式压力传感器校准装置，其特征在于：所述上垫片与顶针(7)可拆卸连接，所述下垫片与基座(1)可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的薄膜式压力传感器校准装置，其特征在于：所述可拆卸连接为螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的薄膜式压力传感器校准装置，其特征在于：所述上垫片和下垫片与待校准薄膜式压力传感器(12)的传感区域(15)形状、面积相适配。

6.根据权利要求1所述的薄膜式压力传感器校准装置，其特征在于：所述调压件(9)为砝码。