CN113654720A

CN113654720A - 一种气压式柔性力敏传感器标定装置及标定方法

Info

Publication number: CN113654720A
Application number: CN202111024104.2A
Authority: CN
Inventors: 杨先军; 姚志明; 周旭; 李红军; 张晓翟; 高秀影; 张朝辉
Original assignee: Anhui Zhongke Benyuan Information Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Zhongke Benyuan Information Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2041-09-02
Also published as: CN113654720B

Abstract

本发明提供了一种气压式柔性力敏传感器标定装置及标定方法。本发明的标定装置包括控制模块、施压模块、监测模块、采集模块以及标定模块，控制模块调整压力大小及施压时间，施压模块向腔体内的柔性力敏传感器施加预设压力，监测模块查看收集监测点实际气压信息，采集模块采集相应电压反馈信息，并传输至标定模块进行标定校准；本发明的标定方法基于最小二乘法，结合四路监测，利用十五点标定曲线标定。本发明能够向腔体内施加均匀压力，并通过多路监测保证压力的准确性，从而提高了标定精度；同时通过安全气阀保证了标定操作过程的安全性；通过外接的数据采集分析设备使得标定过程自动化、智能化；本发明标定装置结构精密，安全可靠。

Description

一种气压式柔性力敏传感器标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及到压力传感器技术领域，特别涉及一种气压式柔性力敏传感器标定装置及标定方法。

背景技术

随着现代科技的发展，需要测量柔性接触面上的作用力大小和分布的应用需求也越来越广。例如，汽车座椅舒适性的研究，需要测量人体与座椅之间的动态压力分布，动态调整座椅姿势，寻找符合人体生物力学特征的最舒适的压力分布。大面积，高密度的柔性力敏传感器有越来越广的用途和不可替代的作用。

柔性力敏传感器，可用于测量柔性接触面表面作用力的大小和分布，一般为平面结构，具有普通阵列式传感器的优点，良好的柔韧性，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂形状的零件进行检测，广泛应用于工业和医疗无损检测、机器人、生物力学研究等领域。

典型的柔性力敏传感器，如美国Tekscan公司所研制的柔性力敏传感器，由两层很薄的聚酯薄膜组成，两层薄膜的内表面分别印刷列导线和行导线，当两片薄膜叠合在一起的时候，行导线与列导线互相交叉，从而形成了一块具有若干个行和列交叉的点所构成的点阵。阵列中每个点都是一个由特殊的压敏半导体材料构成的压力敏感点，当外力作用到敏感点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例的变化，进而可以使用它来对大面积接触受力进行检测。除了上述的Tekscan公司外，还有美国的SPI，比利时RSscan等知名公司也在生产和使用柔性力敏传感器。由于这些阵列传感器大都是采用特殊的材料制作而成，具有形状可弯曲的特性，可以在非平面的场合检测分布式压力，近年来在各大领域得到了越来越广的应用。在国内，中国科学院合肥智能机械研究所研制的用于“数字跑道”和“数字跑鞋”的柔性力敏传感器，采用的也是特殊压敏材料制作成的类似的传感器。

但是，不管是采用什么工艺，什么生产流程，使用压敏半导体材料制作成的传感器阵列，具有大面积，高密度的特性，一块传感器甚至有90000个敏感点，若采用人工逐点标定的方法，标定工作量将十分巨大，不仅耗时而且也很难确保标定的精度。实际生产中，不可能采用人工逐点标定法对大面积的柔性力敏传感器进行标定。因此，目前迫切需要一种能对同一个阵列压力传感器上所有压力敏感点同时进行统一标定的装置和相应的标定方法，并且要求这种装置和标定方法具有快速准确和自动化的特点。

经检索，目前有许多关于平面传感器标定装置的专利文件，其中现有公告号为101281073A中公布了一种平面阵列力学传感器的标定装置和方法，该专利使用步进电机控制加力探头位置，可在垂直方向施加压力，这也是逐个对压力敏感点进行标定，若一块平面阵列传感器上有成千上万个敏感点，则工作量是十分巨大，非常耗时的。

现有公开号为111551311A的发明专利“压力传感器标定装置和标定方法”，该发明利用滑轮组，在一端放置预设重量的砝码，另一端的施力触头向上碰撞并施压于压力传感器，从而采集相应压力，并利用函数y(x)＝a*e^bx+c*e^dx拟合曲线，达到标定的目的。但该设备及方法也有不足之处，滑轮组具有一定摩擦力，影响施加压力的准确性，并且施力触头对压力传感器施压面积小、不均匀，单次标定面积有待提升。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于柔性力敏传感器阵列的气压型标定装置及标定方法，能够对压力传感器进行便捷、准确的标定，提升压力传感器的精度和使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气压式柔性力敏传感器标定装置，包括：

控制模块、施压模块、监测模块、采集模块和标定模块；所述施压模块分别连接到控制模块、监测模块以及标定模块；

所述控制模块包括控制盒及相应控制电路，用于控制所述施压模块施压过程的起止、气压大小、持续时间等；

所述施压模块包括腔体、气泵、气压比例控制阀、恒定气压阀以及限压阀，用于向所述柔性力敏传感器施加预设压力；

所述监测模块包括四路气压监测，用于查看腔体内各处气压点的实际气压信息；

所述采集模块包括抽拉垫板、柔性力敏传感器及相应控制电路，用于采集来自所述施压模块的压力及柔性力敏传感器的实际电压反馈并传输至标定模块：

所述标定模块为上位机及相应控制电路，用于将采集到的数据及预设压力进行标定；

优选的，所述控制盒为一密封壳体，上集成有显示屏和旋钮，用于控制施压过程，包括但不限于施压起止、持续时间、气压大小等，盒内为相应控制电路；

优选的，所述腔体具有一上盖和底座，所述上盖包括上表面与下表面，所述的上盖的下表面有一向上呈正方形的凹槽，沿所述凹槽的边缘处安装有密封圈，所述的上盖的下表面与底座贴合使所述上盖的凹槽与底座之间形成一密封空腔，内部用于置放柔性力敏传感器，通过所述气泵、气压比例控制阀、恒定气压阀以及限压阀联合调控向腔内施加稳定的气压，腔内的气体通过下表面用于密封的硅胶膜传导加载在传感器上，保证传感器上的每个敏感点都均匀受到气压；

优选的，所述监测模块为四路监测，包括四个气压显示表及四个气压监测点，按一定规律分布在所述腔体上部，同时对四个监测点的气压进行采集显示，并用于标定实验；

优选的，所述抽拉垫板放置于所述腔体中，用于承载待标定的柔性力敏传感器，并将相应反馈信息通过相应电路传输至标定模块；

优选的，所述标定模块包括上位机及相应控制电路，通过所述标定方法对所采集的相应信号进行标定；

根据本发明的另一方面，提出一种用于柔性力敏传感器阵列的标定方法，包括如下步骤：

步骤100：打开电源，装置上电初始化；

步骤101：将需要标定的柔性力敏传感器放置在抽拉垫板的正中央；

步骤102：放掉密封腔体中的所有气体，外接的上位机获取传感器在不受任何压力、处于自然状态时的零点输出值；

步骤103：待标定柔性力敏传感器的零点获取完成后，将待标定的柔性力敏传感器的满量程分成若干个等间隔标定点，以标准气压传感器的压力输出值作为等间隔标定点的参照设定值，首先从最小设定值到最大设定值的顺序加压标定，然后再从最大设定值到最小设定值顺序标定；

步骤104：对比四路监测的气压值是否达到设定值，如果没有，则通过控制调节施压模块使四路监测的气压值等于设定值；

步骤105：当四路监测的气压值等于设定值时，存储待标定柔性力敏传感器的实际电压反馈值；

步骤106：同时存储此时四路监测的气压值；

步骤107：从最小设定值到最大设定值的加压标定，再从最大设定值到最小设定值的泄压标定为一次标定，单次标定未完成则返回步骤103，单次标定完成则进入步骤108；

步骤108：柔性力敏传感器的标定需要进行N次，若N次未完成，则返回步骤102；若N次完成，则对存储的N组标定数据进行分段拟合，并绘制输入－输出关系图；

步骤109：最后基于最小二乘法，结合四路监测，通过十五点压力数据进行曲线标定，根据线性回归方程计算得到待标定柔性力敏传感器的标定系数；

步骤110：最后，若没有其他的测试对象需要使用该标定装置，则关掉电源，结束本次标定和计算标定系数的过程

优选的，所述最小二乘法的线性回归方程为P＝a+SI*V，其中P为实际压力值，V为传感器输出，SI为拟合直线的斜率，a为校准常数，求出SI和a即可得到传感器输出值到实际压力值的映射关系，即得到实际压力值P。

优选的，所述标定方法结合四路监测，将柔性力敏传感器按相应规律划分为四个部分，将四路监测所得气压值与传感器四部分的实际电压反馈相结合，利用所述线性回归方程进行标定；

优选的，所述标定方法通过若干次加压与泄压标定过程后，完成对数据的采集，将采集到的各组数据进行误差处理，根据待标定柔性力敏传感器的实际电压反馈值与施加气压值的关系，计算得到期望压力值，完成标定。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种气压式柔性力敏传感器标定装置在利用充气阀向腔体中加气时，能够通过四路监测精准采集待标定传感器所受的实时气压，较单一的监测手段更加精准，从而保证了标定精度，提高待测传感器使用时的测量精度；此外，发明装置中的安全气阀保证了标定操作过程的安全性；

(2)本发明标定方法使用最小二乘法的线性回归方程P＝a+SI*V进行标定，并对采集到的反馈信息进行误差处理，计算得到待测传感器各个压力敏感点的标定系数，得到标定系数矩阵，更符合传感器的实际特性，使得标定过程实现自动化、智能化、精准化；

(3)本发明标定装置结构精密，安全可靠；本发明装置配套的标定方法操作便捷，计算标定系数方法科学、快速；因此，本发明为大面积、平面式压力传感器的快速、安全、科学、自动精准标定提供了一种高效的标定装置及方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图做简单的介绍，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气压式柔性力敏传感器标定装置腔体的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气压式柔性力敏传感器标定装置控制盒的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的气压式柔性力敏传感器标定装置密封空腔的形成图；

图4为本发明实施例提供的气压式柔性力敏传感器的标定方法流程示意图；

图5为待标定传感器在标定过程中标准气压传感器的压力输出值与待标定柔性力敏传感器的输出电压值的变化曲线图；

图中：1.1、限压阀；1.2、气压比例控制阀；1.3、抽拉垫板；1.4、柔性力敏传感器放置位；1.5、腔体；1.6、气压显示表；1.7、恒定气压阀；2.1显示屏；2.2、旋钮；2.3、控制盒；3.1、上盖的下表面；3.2、凹槽；3.3、底座；3.4、密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

根据本发明的实施例，一种气压式柔性力敏传感器标定装置，包括：

控制模块、施压模块、监测模块、采集模块和标定模块；

根据本发明的一个实施例，如图1所示，为本发明气压式柔性力敏传感器标定装置的腔体的结构，其包括腔体1.5以及安装在腔体上方边缘的限压阀1.1、气压比例控制阀1.2及恒定气压阀1.7，其中，外部气源通过气泵进入恒定气压阀，使得气源施加稳定，然后通过气压比例控制阀，使得气压可以连续成比例地进行调节，后进入腔体进行施压，同时限压阀始终将压力保持在安全的范围内。腔体上方置有四路气压显示表1.6，用于显示当前腔内气压；腔体内置有抽拉垫板1.3，用于承载待标定的柔性力敏传感器放置位1.4。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，为本发明实施例提供的气压式柔性力敏传感器标定装置控制盒的结构示意图，其包括控制盒2.3，盒上集成有显示屏2.1和旋钮2.2，用于控制施压过程，控制盒2.3内有相应控制电路；所述控制盒和腔体通过相应控制电路连接，通过上位机软件进行气压设定，控制盒内主控板接收到来自上位机的相应信号后，通过相应控制电路调节气压比例控制阀，从而实现对腔体内的压力调节。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，在腔体上盖的下表面3.1有一向上呈正方形的凹槽3.2，沿所述凹槽的边缘处安装有两圈密封圈3.4，密封圈凸起于上盖的平面，用于密封，防止上盖与底座3.3没有贴紧，产生空隙；上盖的下表面3.1与底座3.3贴合在一起时，上盖的密封圈3.4与底座3.3紧密贴合，使上盖的凹槽3.2与底座3.3之间形成一密封空腔，所述密封空腔用于放置待标定的柔性力敏传感器；所述的上盖上设置有四路气压显示表1.6，所述四路气压显示表与空腔连通，用于显示空腔内的实时气压。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，本发明实施例提供的柔性力敏传感器标定装置的标定方法，其包括以下步骤：

步骤100：打开电源，装置上电初始化；

步骤101：将需要标定的柔性力敏传感器放置在抽拉垫板1.3的正中央，具体为柔性力敏传感器放置位1.4；

步骤102：放掉密封腔体中的所有气体，外接的上位机获取传感器在不受任何压力、处于自然状态时的零点输出值；本实施例提供的上位机可以是电脑，或者其他便携式智能终端，本发明不作具体限定；

步骤106：同时存储此时四路监测的气压值；

步骤108：柔性力敏传感器的标定需要进行10次，若10次未完成，则返回步骤102；若10次完成，则对存储的10组标定数据进行分段拟合，并绘制输入－输出关系图；

步骤109：最后基于最小二乘法，根据所述线性回归方程P＝a+SI*V计算得到待标定柔性力敏传感器的标定系数；

步骤110：最后，若没有其他的测试对象需要使用该标定装置，则关掉电源，结束本次标定和计算标定系数的过程。

本实施例提供的待标定柔性力敏传感器的满量程分成10个等间隔点，即分别注入的气体压强是50kpa，100kpa，150kpa，200kpa，250kpa，300kpa，350kpa，400kpa，450kpa，500kpa，本实施例通过外接的上位机分别存储记录待标定柔性力敏传感器的实际电压反馈和四路监测的气压值；重复采集数据10次，采集到10组数据；按照传感器的应用要求，对采集到的数据进行处理，并绘制输入－输出关系图，如图5所示。

本实施例所采用的标定装置的基座总面积是80cm×80cm，上盖总的面积是70cm×70cm，可以标定最大面积为50cm×50cm的柔性力敏传感器。待标定的柔性力敏传感器，其具有以下特性：采用上下两层结构，上层和下层基底材料采用耐高温聚酯薄膜基材，在上下层接触表面形成接触电阻，该接触电阻随接触面积和接触压力增大成准线性关系。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种气压式柔性力敏传感器标定装置，其特征在于，包括控制模块、施压模块、监测模块、采集模块和标定模块；所述施压模块分别连接到控制模块、监测模块以及标定模块；

所述控制模块包括控制盒及相应控制电路，用于控制所述施压模块施压过程的起止、气压大小、持续时间；

所述标定模块为上位机及相应控制电路，用于将采集到的数据及预设压力进行标定。

2.根据权利要求1所述的气压式柔性力敏传感器标定装置，其特征在于，所述控制盒为一密封壳体，上集成有显示屏和旋钮，用于控制施压过程，包括施压起止、持续时间、气压大小，盒内为相应控制电路。

3.根据权利要求1所述的气压式柔性力敏传感器标定装置，其特征在于，所述腔体具有一上盖和底座，所述上盖包括上表面与下表面，所述的上盖的下表面有一向上呈正方形的凹槽，沿所述凹槽的边缘处安装有密封圈，所述的上盖的下表面与底座贴合使所述上盖的凹槽与底座之间形成一密封空腔，内部用于置放柔性力敏传感器，通过所述气泵、气压比例控制阀、恒定气压阀以及限压阀联合调控向腔内施加稳定的气压，腔内的气体通过下表面用于密封的硅胶膜传导加载在传感器上，保证传感器上的每个敏感点都均匀受到气压。

4.根据权利要求1所述的气压式柔性力敏传感器标定装置，其特征在于，所述监测模块为四路监测，包括四个气压显示表及四个气压监测点，分布在所述腔体上部，同时对四个监测点的气压进行采集显示，并用于标定实验。

5.根据权利要求1所述的气压式柔性力敏传感器标定装置，其特征在于，

所述抽拉垫板放置于所述腔体中，用于承载待标定的柔性力敏传感器，并将相应反馈信息通过相应电路传输至标定模块。

6.根据权利要求1所述的气压式柔性力敏传感器标定装置，其特征在于，所述标定模块包括上位机及相应控制电路，用于对所采集的相应信号进行标定。

7.一种用于柔性力敏传感器阵列的标定方法，基于权利要求1-6任一项所述的标定装置，其特征在于，所述标定方法包括如下步骤：

步骤100：打开电源，装置上电初始化；

步骤106：同时存储此时四路监测的气压值；

8.根据权利要求7所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的标定方法，其特征在于，所述最小二乘法的线性回归方程为P＝a+SI*V，其中P为实际压力值，V为传感器输出，SI为拟合直线的斜率，a为校准常数，求出SI和a即可得到传感器输出值到实际压力值的映射关系，即得到实际压力值P。

9.根据权利要求7所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的标定方法，其特征在于，所述标定方法结合四路监测，将柔性力敏传感器按相应规律划分为四个部分，将四路监测所得气压值与传感器四部分的实际电压反馈相结合，利用所述线性回归方程进行标定。

10.根据权利要求7所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的标定方法，其特征在于，所述标定方法通过若干次加压与泄压标定过程后，完成对数据的采集，将采集到的各组数据进行误差处理，根据待标定柔性力敏传感器的实际电压反馈值与施加气压值的关系，计算得到期望压力值，完成标定。