CN107101780A - Fsr压力传感器的标定装置 - Google Patents

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周瑾
柯昂
韩久琦
徐葛森
张华亮
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Abstract

本发明公开了一种FSR压力传感器的标定装置。该标定装置，包括：底座；步进电机滑台组件，包括：步进电机、步进电机支撑座、联轴器、滑台组件支架、滚珠螺母滑台、丝杠和滑台组件下支撑板，所述滑台组件支架竖直设置在底座上，所述丝杠通过联轴器与步进电机驱动连接；所述滚珠螺母滑台能够上下移动的设置在丝杠上；过载保护施力探头组件，包括：套筒、施力头和伸缩杆，所述套筒固定在滚珠螺母滑台上，所述施力头通过伸缩杆布设在套筒的下方，所述步进电机带动丝杠的转动进而带动滚珠螺母滑台向下移动；以及压力传感器及载物台。该FSR压力传感器的标定装置体积较小，装配调试方便，标定精度和效率均高。

Description

FSR压力传感器的标定装置
技术领域
本发明涉及传感器标定装置领域，特别涉及一种FSR压力传感器的标定装置。
背景技术
FSR压力传感器是一种非常方便的压力传感器，由于FSR传感器具有一定的柔性，可以贴在各种经常变形的表面上。FSR压力传感器广泛应用于生物医学工程领域，机器人领域，以及康复医疗器械领域。FSR传感器的主要材料为对力敏感的高聚物，FSR测量力的原理为：施加在FSR上的轴向力会改变FSR的电阻，通过分压电路，将FSR电阻的改变反应到电压的改变上。FSR传感的标定就是需要利用FSR压力传感器的标定装置，通过实验与曲线拟合技术找出施加的压力与输出电压之间关系，这样，就能够根据测量电路的输出电压来计算施加在FSR传感器上的力。
现有FSR压力传感器的标定装置结构幅值大，价格昂贵，体积较大，装配调试困难，而且难以实现0.1～10N范围之间的FSR传感器标定的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的FSR压力传感器的标定装置，该FSR压力传感器的标定装置体积较小，装配调试方便，标定精度和效率均高。
为实现上述目的，本发明提供了一种FSR压力传感器的标定装置，包括：底座；步进电机滑台组件，包括：步进电机、步进电机支撑座、联轴器、滑台组件支架、滚珠螺母滑台、丝杠和滑台组件下支撑板，所述滑台组件支架竖直设置在底座上，所述步进电机支撑座和滑台组件下支撑板分别设置在滑台组件支架的上下两端；所述步进电机设置在步进电机支撑座上，所述丝杠通过联轴器与步进电机驱动连接；所述滚珠螺母滑台能够上下移动的设置在丝杠上；过载保护施力探头组件，包括：套筒、施力头和伸缩杆，所述套筒固定在滚珠螺母滑台上，所述施力头通过伸缩杆布设在套筒的下方，所述步进电机带动丝杠的转动进而带动滚珠螺母滑台向下移动，通过施力头向待标定的FSR传感器施加轴向压力；以及压力传感器及载物台，其设置在所述步进电机滑台组件的施力头下方。
优选地，上述技术方案中，步进电机滑台组件还包括：丝杠上支撑架，该丝杠上支撑架设置在步进电机支撑座的下方。
优选地，上述技术方案中，步进电机滑台组件还包括：光轴，该光轴成对设置在所述丝杠的两侧，并穿设在所述滚珠螺母滑台内。
优选地，上述技术方案中，滑台组件支架为铝型材。
优选地，上述技术方案中，过载保护施力探头组件还包括调节按钮。
优选地，上述技术方案中，压力传感器为S型应变式压力传感器。
优选地，上述技术方案中，底座为矩形，其四角分别设置有橡胶支撑脚。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该FSR压力传感器的标定装置体积较小，装配调试方便，标定精度和效率均高。
附图说明
图1是本发明的FSR压力传感器的标定装置的主视结构图。
图2是本发明的FSR压力传感器的标定装置的侧视结构图。
图3是本发明的FSR压力传感器的标定装置的俯视结构图。
图4是本发明的FSR压力传感器的标定装置的电路原理图。
图5是本发明的FSR压力传感器的标定装置的工作原理图。
图6是本发明的FSR压力传感器的标定装置的压力传感器数据拟合曲线图。
图7是本发明的FSR压力传感器的标定装置的标定曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1至图3所示，根据本发明具体实施方式的FSR压力传感器的标定装置包括：底座1、步进电机滑台组件、过载保护施力探头组件、压力传感器26和载物台28。其中，步进电机滑台组件设置在底座1上，压力传感器26及载物台28连接在一起，并设置在步进电机滑台组件下方，载物台28充当压力传感器26的受力面，待标定的FSR传感器放在载物台28的上表面。步进电机滑台组件向待标定的FSR传感器施加轴向力会改变FSR的电阻，并通过分压电路，将FSR电阻的改变反应到电压的改变上，通过实验与曲线拟合技术找出施加的压力与输出电压之间关系，这样，就能够根据测量电路的输出电压来计算施加在FSR传感器上的力。
具体来讲，底座1为矩形，位于FSR压力传感器的标定装置的底部，用于支撑步进电机滑台组件及过载保护施力探头组件。底座1的四角分别设置有橡胶支撑脚24。
步进电机滑台组件包括：步进电机11、步进电机支撑座8、联轴器12、丝杠上支撑架9、滑台组件支架2、光轴4、滚珠螺母滑台6、丝杠13和滑台组件下支撑板3，其中，滑台组件支架2竖直设置在底座1上，步进电机支撑座8和滑台组件下支撑板3分别设置在滑台组件支架2的上下两端。步进电机11设置在步进电机支撑座8上，丝杠13通过联轴器12与步进电机11驱动连接。丝杠上支撑架9设置在步进电机支撑座8的下方。滚珠螺母滑台6能够上下移动的设置在丝杠13上，从而将步进电机11带动丝杠13的转动转化为滚珠螺母滑台6的上下移动，光轴4成对设置在丝杠13的两侧，并穿设在滚珠螺母滑台6内，对滚珠螺母滑台6的上下移动起到导向作用。优选的，滑台组件支架2为铝型材。
结合图5可以看出，滚珠螺母滑台6受步进电机11控制，控制整个加载过程，加载控制***包括：上位机、DSP控制器和步进电机驱动器22，上位机与DSP控制器之间通过串口协议通信，DSP控制器与步进电机驱动器之间信号的对应连接如图5所示，其中一组GPIO用于控制步进电机的转向，一组GPIO控制使能，一个PWM输出用来控制步进电机的转速。步进电机驱动器22的A、B两相输出电压分别接步进电机11。DSP控制器产生频率可调的脉冲信号与方向控制，启动控制信号，发送给步进电机驱动器，所述上位机软件具有如下基本功能：根据设定的速度、步进电机驱动器的细分步数、滚珠丝杠的螺距来计算控制驱动器的脉冲频率，然后通过串口通信发送给DSP控制器，DSP控制器接收到速度值后，计算相应的脉冲信号的周期，然后发送给PWM外设，产生相应频率的脉冲信号，脉冲信号的占空比为50％。
过载保护施力探头组件包括：套筒17、施力头18、伸缩杆20和调节按钮21，其中，套筒17通过固定支架7固定在滚珠螺母滑台6上，施力头18通过伸缩杆20布设在套筒17的下方，步进电机11带动丝杠13的转动进而带动滚珠螺母滑台6向下移动，通过施力头18向待标定的FSR传感器施加轴向压力。当该压力超过规定值时，施力头18通过伸缩杆20缩回，对待标定的FSR传感器形成过载保护。调节按钮21能够调节施力头18向待标定的FSR传感器施加轴向压力的规定值。
压力传感器26及载物台28通过沉头螺钉连接在一起，并设置在步进电机滑台组件的施力头18下方，载物台28充当压力传感器26的受力面，待标定的FSR传感器放在载物台28的上表面。安装时，保证压力传感器26、载物台28、套筒17、施力头18和伸缩杆20轴线在同一竖直线上。
优选的，压力传感器26为S型应变式压力传感器。
结合图4可以看出，所述FSR传感器的标定以及测量电路如图4左上部分所示，FSR传感器与一个10K的精密电阻串联，接在5V的恒压源上，NI数据采集卡25测量的为10K电阻上的分压。与此同时，S型压力传感器在激励电压为10V的条件下，输出信号经24V的信号调理模块23进行调理放大以后连接到NI数据采集卡25的模拟输入。NI数据采集卡与电脑之间采用高速USB接口连接，电脑端通过matlab程序控制数据采集卡采集数据。
本发明进行FSR压力传感器标定实验的具体步骤如下：
步骤一、FSR传感器电路接线：在FSR的两脚焊两根导线引出来，接到图4所示电路的两个引脚上，然后接通测量电路的电源，将测量电路的信号输出端口接到NI数据采集卡的模拟输入通道1(ai1)上。
步骤二、S型压力传感器接线：接通S型压力传感器的电源，输入电压为10V，将S型压力传感器的两根差分输出信号线接到信号调理模块的输入端，信号调理模块的供电电压为24V，然后将信号调理模块的信号输出接到NI数据采集卡的模拟输入通道0(ai0)上。
步骤三、步进滑台接线：如图5所示，将DSP控制器的串口与电脑通过USB转串线相连，将DSP控制器与步进电机驱动器对应信号相连，将步进电机驱动器的输出信号接到滑台的步进电机上。步进电机驱动器接24V电压。
步骤四、S型压力传感器标定：将10g，20g，30g，40g，50g，100g，200g，500g，1000g的砝码分别放在S型压力传感器的载物台上，稳定后电脑控制采集卡同时对通道0与通道1进行数据采集，采集时间为2s，采样频率为1000Hz。
步骤五、S型压力传感器数据拟合：对步骤3中采集到的每组数据的每个通道直接求平均值，得到九个(F,V)对应点，然后对9组数采用线性拟合函数y＝ax+b进行拟合，拟合得到的曲线如图6所示，得到的拟合函数为
步骤六、FSR传感器数据测量：取下砝码，将FSR粘贴在载物台上，在FSR的表面上放置一个直径为5mm，高度为2mm的穹顶型硅胶垫片作为缓冲。在电脑上，通过程序控制步进电机以均匀的速度v＝0.2mm/s缓慢向下施加压力，压力探头18快接触到硅胶垫片的时候，启动数据采集卡，同步记录通道0与通道1数据，当观察到机械限位过载保护装置起作用后停止步进电机，等待一定时间后停止数据采集。
步骤七、FSR传感器数据拟合：对采集到的数据，每个通道先进行窗口为20的滑动平均滤波，然后进行窗口为5的中值滤波。为了计算压力，首先利用步骤五得到的关系对通道0数据进行变换，得到加载过程中实际的压力值，这样就得到一组FSR的(F，V)对应关系。然后利用拟合函数y＝aebx+cedx拟合F与V的关系，结果如图7所示。
综上，该FSR压力传感器的标定装置体积较小，装配调试方便，标定精度和效率均高。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，包括：
底座；
步进电机滑台组件，包括：步进电机、步进电机支撑座、联轴器、滑台组件支架、滚珠螺母滑台、丝杠和滑台组件下支撑板，所述滑台组件支架竖直设置在底座上，所述步进电机支撑座和滑台组件下支撑板分别设置在滑台组件支架的上下两端；所述步进电机设置在步进电机支撑座上，所述丝杠通过联轴器与步进电机驱动连接；所述滚珠螺母滑台能够上下移动的设置在丝杠上；
过载保护施力探头组件，包括：套筒、施力头和伸缩杆，所述套筒固定在滚珠螺母滑台上，所述施力头通过伸缩杆布设在套筒的下方，所述步进电机带动丝杠的转动进而带动滚珠螺母滑台向下移动，通过施力头向待标定的FSR传感器施加轴向压力；以及
压力传感器及载物台，其设置在所述步进电机滑台组件的施力头下方。
2.根据权利要求1所述的FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，所述步进电机滑台组件还包括：丝杠上支撑架，该丝杠上支撑架设置在步进电机支撑座的下方。
3.根据权利要求2所述的FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，所述步进电机滑台组件还包括：光轴，该光轴成对设置在所述丝杠的两侧，并穿设在所述滚珠螺母滑台内。
4.根据权利要求1所述的FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，所述滑台组件支架为铝型材。
5.根据权利要求1所述的FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，所述过载保护施力探头组件还包括调节按钮。
6.根据权利要求1所述的FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，所述压力传感器为S型应变式压力传感器。
7.根据权利要求1所述的FSR压力传感器的标定装置，其特征在于，所述底座为矩形，其四角分别设置有橡胶支撑脚。
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