CN113959635A - 用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置及标定方法。本发明的标定装置包括控制模块、加压模块、施压模块、采集模块和标定模块。控制模块控制加压模块施加压力向下压迫施压模块的隔断层，施压模块将压力均匀施加在采集模块的柔性力敏传感器阵列上，采集模块进行压力采集并通过相应电路传输至标定模块，由标定模块进行标定；本发明的标定方法包括压力的平衡与校准两部分，在10个压力水平下采集压力，通过平衡矩阵对传感器阵列进行平衡，并利用十点法进行校准。通过前述装置及方法，提高了柔性力敏传感器阵列标定的效率、准确性及安全性，达到了便捷、快速、准确标定柔性力敏传感器阵列的目的。

Description

用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及传感器标定领域，具体是涉及一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置及标定方法。

背景技术

当代社会，人工智能、医疗健康等领域的发展尤为重要，人机交互、运动健康监控等细划领域的进一步推进也对传感器提出了更加严格、全面的要求。传感器在经过长时间的使用后，其精度会出现不可避免的误差，因此，对传感器的标定就至关重要。通过对传感器的标定可以有效提升传感器的测量精准度，延长传感器的使用寿命，让使用者有良好的使用体验。

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，且该发明只进行校准，未进行平衡。

现有公开号为109932129A的实用新型专利“一种表面接触式水压力传感器的快速标定方法”，该实用新型利用压力发生源(如压缩空气罐或手动压力泵等)施加压力，三通管一端连接压力发生源，接收压力，另外两端一端连接压力传感器另一端连接U形管压力计，U形管压力计中装有液体，通过液压差计算U形管压力计所受压力，与压力传感器数值对比，进行标定。该实用新型操作简便，设备造价少，没有安全风险，能进行一定的标定工作，但该实用新型由于U形管液位差有限，所能标定量程较小，且没有进行平衡工作。

现有技术的不足之处在于：装置体积大，安装复杂，设备昂贵，多数使用气压机施加压力，存在一定的安全隐患，且未进行平衡操作，传感器阵列的各传感器元件之间存在一定的误差，影响使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置及标定方法，能够对柔性力敏传感器阵列进行便捷、准确的标定，提升柔性力敏传感器阵列的精度和使用寿命。以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，包括：

控制模块、加压模块、施压模块、采集模块和标定模块；

控制模块为上位机及相应控制电路，用于向所述加压模块施加加压指令，并控制液体回路加减；

加压模块为所选压力源，用于向所述施压模块的隔断层施加预设压力；

施压模块包括隔断层、柔性袋和流体介质，用于将来自所述加压模块的压力平均施加在所述采集模块的柔性力敏传感器阵列上；

采集模块包括柔性力敏传感器阵列及相应电路，用于采集来自所述施压模块的压力并传输至标定模块；

标定模块包括标定软件和相应标定方法，用于将采集到的数据及预设压力进行标定。

优选的，所述控制模块为PC机及相应控制电路，所述PC机用于设定所需压力参数，控制所述施压模块液体回路的加减，从而实现施加不同大小的压力；

优选的，所述加压模块为所选压力源。其中本发明所选压力源为液压箱(也可以是其他任何合适的压力源，因为本发明在这方面不设限制)，用于向所述施压模块的隔断层施加预设压力。

优选的，所述施压模块包括隔断层、柔性袋和流体介质。所述隔断层为不锈钢膜片(也可以是其他任何合适的刚性材料，因为本发明在这方面不设限制)，用于承载所述加压模块施加的压力；所述柔性袋可承受多个大气压力，其中充有相应流体介质，用于将压力平均施加在所述采集模块的柔性力敏传感器阵列上；所述流体介质为硅油(也可以是其他任何合适的流体介质，因为本发明在这方面不设限制)。

优选的，所述采集模块包括柔性力敏传感器阵列及相应电路。所述柔性力敏传感器阵列包含若干传感器元件，点阵式分布，用于采集来自所述施压模块的压力。

优选的，所述标定模块包括上位机和相应标定创新。

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，具体包括如下步骤：

步骤1、判断是否有标定设备，如果有标定设备，执行步骤2，否则执行步骤5；

步骤2、在有标定设备时，执行平衡过程：在预设压力水平下对传感器阵列施加压力，采集并记录传感器阵列的实际输出，对实际输出进行Q值检验法检验，对检验后的数值取平均值作为预期输出，利用平衡矩阵对实际输出进行平衡，使得传感器阵列的各个传感器元件的输出达到同一预期输出，并保存平衡文件，所述平衡文件中包括平衡矩阵、传感器在十个压力水平下的原始输出和预期平衡值；

步骤3、在有标定设备时，执行校准过程：在预设压力水平下对传感器阵列施加压力，重复N次，采集并记录传感器阵列的实际输出，对传感器阵列进行最小二乘法校准，拟合曲线形如y＝a*x^b+c，并保存校准文件，所述校准文件中包括传感器在N个压力水平下的原始输出、预期输出、校准系数、校准常数和拟合曲线；执行步骤6；

步骤4、没有标定设备时，导入已有的平衡文件，利用已进行过的平衡实验的平衡文件对传感器阵列进行平衡；

步骤5、没有标定设备时，导入已有的校准文件，利用已进行过的校准实验的校准文件对传感器阵列进行校准；

步骤6、完成校准。

进一步的，所述校准部分采用十点法校准，在压力工作范围内平均选取十个压力水平点，在每个压力水平下，采集并记录传感器的实际输出，对十个压力水平下的实际输出和预期输出进行最小二乘法曲线拟合校准，并保存校准文件；所述最小二乘法采用幂函数曲线，形如y＝a*x^b+c，其中y为预期输出，x为原始输出，a、b为校准系数，c为校准常数，所述校准文件包括传感器在十个压力水平下的原始输出、期望输出、校准系数、校准常数和相应拟合曲线。

本发明的有益效果是：

1.施压均匀，准确性高。本发明采用施压模块使得预设压力平均施加在柔性力敏传感器阵列上。其中施压模块中的隔断层为不锈钢膜片，用于将压力源施加的压力分散到施压模块中的柔性袋顶部，施压模块中的柔性袋充有流体介质，用于承接隔断层施加的力并平均施加在压力传感器阵列上，隔断层和柔性袋相结合，能够良好地将压力均匀施加在压力传感器阵列上，提升标定的效率和精度。

2.装置简便，安全性高。本发明除所选压力源外选用一体化容器承载各模块，不存在额外的铆钉、固定螺母等零件，并通过流体施加压力，在压力范围内进行标定，安全可靠。

3.平衡传感器阵列，实际表现好。本发明进行一次平衡操作，利用平衡矩阵及Q值检验法进行平衡，使得传感器阵列的所有传感器元件在相同压力下的实际输出保持相同，对实际应用有着很好的提升与帮助。平衡后保存平衡文件，在没有平衡设备的时候，也可以通过存储的平衡文件来进行相应平衡。

4.校准准确，精度高。本发明采用十点法校准，利用最小二乘法拟合曲线，形如y＝a*x^b+c，通过寻找最小化误差的平方和来拟合曲线，能够很好减少误差，也更符合压力传感器的实际表现。校准后保存校准文件，在没有校准设备的时候，也可以通过存储的校准文件来进行相应校准。

5.标定可靠性高。本发明先平衡后校准，选取十个压力水平，在平衡的基础上进行校准，校准引入了平衡的系数，各传感器元件之间的误差便可忽略不计，传感器阵列的各个传感器元件在同一压力水平下的统一性有了保证，表现出来的实际效果也更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明的标定装置组成框图；

图2为本发明的标定装置结构图；

图3为本发明的标定方法流程图；

图4为本发明的平衡流程图；

图5为本发明的校准流程图。

图中：1、液压箱；2、施压柱；3、隔断层；4、柔性袋；5、柔性力敏传感器阵列及相应电路；6、一体化装载壳体；7、PC机及标定软件；8、流体介质；9、控制模块。

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。

具体实施方式一：请参考图1-2，本实施例中，一种柔性力敏传感器阵列标定装置，包括控制模块、加压模块、施压模块和采集模块。

本实施方式的工作逻辑为，控制模块9设置加压参数，加压模块向施压模块施加预设压力，施压模块承接压力并将其平均施加在采集模块上，通过两个模块的压力分散施加，使得预设压力能够平均施加在采集模块上。

具体实施方式二：请参考图2，本实施例中，一种柔性力敏传感器阵列标定装置，其中压力源为液压箱1，也可为任何合适的压力源；加压模块为施压柱2，用于向施压模块施加预设压力；施压模块为隔断层3及柔性袋4，所述隔断层3本方法中选用了不锈钢膜片，也可为其他任何合适的刚性材料，柔性袋4包括充在柔性袋4中的流体介质8，所述流体介质8具体为硅油，也可为其他任何合适的流体材料；采集模块为柔性力敏传感器阵列及相应电路5及相应电路。

本实施方式中，控制模块9连接液压箱1，用于设置压力参数，液压箱1下方连接施压柱2，用于施加预设压力，隔断层3、柔性袋4、柔性力敏传感器阵列及相应电路5依次放置在一体化壳体6中，柔性力敏传感器阵列及相应电路5，其上包含若干压力传感器元件，点阵式分布，用于采集施加的压力信息，传输至PC机及标定软件7，柔性袋4中充有流体介质8。

具体实施方式三：请参考图3，本实施方式中，提出一种柔性力敏传感器阵列标定的标定方法，流程如下，本发明对同一传感器阵列可根据有无标定装置选择两种不同标定方法。有标定装置时，先施加压力进行平衡，保存平衡文件，再施加压力进行校准，保存校准文件；没有标定装置时，读取已存储好的平衡文件，利用已有的平衡文件进行平衡，再读取存储的校准文件，对传感器阵列进行校准。所述标定文件，在设备出厂时会进行一次标定并存储相应标定文件，用户进行标定操作时也会存储相应标定文件以供标定。

具体实施方式四：请参考图4，本实施方式中的平衡流程如下，在有标定设备时，在预设压力水平下对传感器阵列施加压力，采集并记录传感器阵列的实际输出，对实际输出进行Q值检验法检验，对检验后的数值取平均值作为预期输出，利用平衡矩阵对实际输出进行平衡，使得传感器阵列的各个传感器元件的输出达到同一预期输出，并保存平衡文件，所述平衡文件中包括平衡矩阵、传感器在十个压力水平下的原始输出和预期平衡值。

本实施方式中没有标定设备时，导入已有的平衡文件，利用已进行过的平衡实验的平衡文件对传感器阵列进行平衡。

具体实施方式五：请参考图5，本实施方式中的校准流程如下，在有标定设备时，在预设压力水平下对传感器阵列施加压力，重复十次，采集并记录传感器阵列的实际输出，对传感器阵列进行最小二乘法校准，拟合曲线形如y＝a*x^b+c，并保存校准文件，所述校准文件中包括传感器在十个压力水平下的原始输出、预期输出、校准系数、校准常数和拟合曲线。

本实施方式中没有标定设备时，导入已有的校准文件，利用已进行过的校准实验的校准文件对传感器阵列进行校准。

本发明的工作过程：

首先，在一体化壳体6的内侧底部铺上待标定的柔性力敏传感器阵列及相应电路5，在柔性袋4中充入流体介质8，起到分散压力的作用，将柔性袋4放置在柔性力敏传感器阵列及相应电路5上，并在柔性袋4上垫有用于承接预设压力的隔断层3。然后，打开PC机及标定软件7，选择平衡功能，输入压力并使用控制模块9设置施压参数，通过液压箱1向标定设备施加预设压力并采集传感器阵列的实际输出，对实际输出进行Q值检验法检验后取平均值作为预期平均值，对采集数据利用平衡矩阵平衡，重复十个压力水平，保存平衡文件；选择校准功能，输入压力并使用控制模块9设置施压参数，通过液压箱1向标定设备施加预设压力并采集传感器的实际输出，重复十个压力水平，对采集结果进行十点法校准，保存校准文件。若没有标定设备，对于同一传感器阵列，也可直接导入平衡和校准文件进行标定。标定结束后，按照安装顺序逆向拆解装置并保存。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，包括：

控制模块、加压模块、施压模块、采集模块和标定模块；

控制模块包括上位机及相应控制电路，用于设置所需压力参数，并控制液体回路压力加减；

加压模块包括压力源，用于向所述施压模块施加预设压力；

施压模块包括隔断层、柔性袋和流体介质，用于将来自所述加压模块的压力平均施加在所述采集模块的柔性力敏传感器阵列上；

采集模块包括柔性力敏传感器阵列及相应电路，用于采集来自所述施压模块的压力并传输至标定模块；

标定模块，用于将采集到的压力数据及预设压力进行标定。

2.根据权利要求书1所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，所述控制模块包括上位机及相应控制电路，所述控制模块用于设定所需压力参数，控制所述施压模块液体回路的加减，从而实现施加不同大小的压力。

3.根据权利要求书1所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，所述加压模块包括压力源，所述压力源为液压箱，用于向所述施压模块的隔断层施加预设压力。

4.根据权利要求书1所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，所述施压模块包括隔断层、柔性袋和流体介质，所述隔断层为刚性平面材料，用于承载所述加压模块施加的压力；所述柔性袋中充有流体介质，用于将压力平均施加在所述采集模块的柔性力敏传感器阵列上。

5.根据权利要求书1所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，所述采集模块包括柔性力敏传感器阵列及相应电路，所述柔性力敏传感器阵列包含若干传感器元件，点阵式分布，用于采集来自所述施压模块的压力。

6.根据权利要求书1所述的一种用于柔性力敏传感器阵列的液压型标定装置，其特征在于，所述标定模块包括上位机和相应标定程序。

7.一种用于柔性力敏传感器阵列的标定方法，基于权利要求书1-4任一项所述的液压型标定装置，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、判断是否有标定设备，如果有标定设备，执行步骤2，否则执行步骤5；

步骤2、在有标定设备时，执行平衡过程：在预设压力水平下对传感器阵列施加压力，采集并记录传感器阵列的实际输出，对实际输出进行Q值检验法检验，对检验后的数值取平均值作为预期输出，利用平衡矩阵对实际输出进行平衡，使得传感器阵列的各个传感器元件的输出达到同一预期输出，并保存平衡文件，所述平衡文件中包括平衡矩阵、传感器在十个压力水平下的原始输出和预期平衡值；

步骤3、在有标定设备时，执行校准过程：在预设压力水平下对传感器阵列施加压力，重复N次，采集并记录传感器阵列的实际输出，对传感器阵列进行最小二乘法校准，拟合曲线形如y＝a*x^b+c，并保存校准文件，所述校准文件中包括传感器在N个压力水平下的原始输出、预期输出、校准系数、校准常数和拟合曲线；执行步骤6；

步骤4、没有标定设备时，导入已有的平衡文件，利用已进行过的平衡实验的平衡文件对传感器阵列进行平衡；

步骤5、没有标定设备时，导入已有的校准文件，利用已进行过的校准实验的校准文件对传感器阵列进行校准；

步骤6、完成校准。

8.根据权利要求书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，所述校准部分采用十点法校准，在压力工作范围内平均选取十个压力水平点，在每个压力水平下，采集并记录传感器的实际输出，对十个压力水平下的实际输出和预期输出进行最小二乘法曲线拟合校准，并保存校准文件；所述最小二乘法采用幂函数曲线，形如y＝a*x^b+c，其中y为预期输出，x为原始输出，a、b为校准系数，c为校准常数，所述校准文件包括传感器在十个压力水平下的原始输出、期望输出、校准系数、校准常数和相应拟合曲线。

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