CN113049183A - 一种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：基座，设于基座上的升降驱动机构，升降驱动机构的升降端连接升降台；测力装置，固定在升降台的侧面，且设有竖直朝下的测力探头；标定台，包括设置在基座上方的加热板，加热板外接用于控温的加热模块，在加热板的上表面设置与测力探头对应的压力传感器，加热板上还设有温度传感器；控制器的相应输出端接加热模块和升降驱动机构的相应控制端，控制器相应输入端接测力装置、压力传感器和温度传感器的相应输出端，并根据接收的相应压力值、电压值和温度值对压力传感器在不同温度下的压力值与电压值进行标定。本发明提供的压力传感器标定装置结构简单，操作方便。

Description

一种压力传感器标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及压力传感器标定技术领域，具体涉及一种压力传感器标定装置及标定方法。

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。但是FSR压力传感器在使用前必须对其输入输出特性进行精确的标定。

而现有的标定装置如采用六维力传感器测量外部输入压力，虽然测量精度较高，但是标定装置制作成本很高。标定装置如利用电子秤测量外部输入压力，虽然节约了标定装置的制作成本，但是由于必须人工操作，导致标定结果通常存在机械误差和人为误差。且现有的标定装置通常只在室温下使用，无法***评估不同温度对FSR压力传感器的输入输出特性的影响。

发明内容

本发明实施例提供一种压力传感器标定装置及标定方法，旨在解决现有标定装置制作成本高、必须人工操作、且未考虑温度影响因素等问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种压力传感器标定装置，包括：

基座；

升降驱动机构，设于所述基座上，所述升降驱动机构的升降端连接一升降台；

测力装置，固定在所述升降台的侧面，所述测力装置设有竖直朝下的测力探头；

标定台，包括设置在所述基座上方的加热板，所述加热板外接用于控温的加热模块，在加热板的上表面设置与所述测力探头对应的压力传感器，所述加热板上还设有温度传感器；以及

控制器，所述控制器的相应输出端接所述加热模块和所述升降机构的相应控制端，所述控制器相应输入端接所述测力装置、压力传感器和所述温度传感器的相应输出端，并根据接收的相应压力值、电压值和温度值对所述压力传感器在不同温度下的压力值与电压值进行标定。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，标定过程中，通过升降驱动机构带动与升降台连接的测力装置，测力装置通过按压压力传感器，并将压力值传输到控制器，压力传感器将电压信号传输到控制器中，从而实现压力传感器的标定，标定过程无需人工操作，克服了人为误差对传感器标定数据的不准确。在标定台上设置加热板，能够改变压力传感器标定试验的环境温度，得到不同温度下对压力传感器的输出特性，从而可以有效评估不同温度对压力传感器输出特性的影响。本申请实施例提供的压力传感器标定装置，不仅结构简单，操作方便，而且标定的可靠性高，易于推广。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述标定台还包括调平板，所述调平板设置在所述加热板下方、并通过螺栓和调平螺母连接，在所述调平板与所述加热板之间还设有第一弹性垫。

一些实施例中，所述第一弹性垫穿设在所述螺栓上。

示例性的，所述螺栓分别贯穿所述基座、调平板和加热板，在所述基座与所述调平板之间还设有穿设在所述螺栓上的第二弹性垫。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述升降驱动机构包括固定在基座上的连接杆、固定在所述连接杆上部的支撑板、以及转动设置在所述基座与支撑板之间的丝杠螺母副，所述升降台与丝杆螺母固定连接。

示例性的，所述支撑板上安装有步进电机，所述步进电机的输出轴通过联轴器与丝杠连接。

一些实施例中，所述连接杆对称设置有两根，所述升降台贯穿所述连接杆、并沿所述连接杆具有滑动自由度，所述连接杆用于所述升降台的升降导向。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述升降驱动机构为步进电机驱动的链条，所述链条带动所述升降台具有上下往复的自由度。

第二方面，本发明还提供了一种上述压力传感器标定装置的标定方法，所述标定方法包括：

设定加热板的试验温度为T₁，所述升降驱动机构下压，分别对所述标定台施加多个预设压力值F₁-F_n，获取测力装置测得的F₁-F_n以及压力传感器输出的对应电压值V₁₁-V_1n；

设定加热板的试验温度为T_i，所述升降驱动机构下压，分别对所述标定台施加多个预设压力值F₁-F_n，获取测力装置测得的F₁-F_n以及压力传感器输出的对应电压值V_i1-V_in；

在不同温度T_i下，对相应的F_n-V_in数据进行拟合，得到压力传感器在指定温度T_i下的第一输出特性函数；

在不同的预设压力值F_n下，对相应的T_i-V_in数据进行拟合，得到在预设压力值F_n作用下，压力传感器的第二输出特性函数；

其中，T_i表示第i次设定的温度值，i为自然数；F_n表示在每个试验温度下，预设的第n个压力值，n为自然数；V_in表示在温度为T_i、压力值为F_n时，压力传感器输出的电压值。

通过采用上述压力传感器标定装置在不同的温度、不同的压力下对待标定的压力传感器进行标定，整个标定过程操作简单、方便，标定的可靠性高。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种压力传感器标定装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种压力传感器标定装置的加热板上部安装压力传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种压力传感器标定装置的加热板下部安装温度传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种压力传感器标定装置标定过程的结构示意图；

图中：10-基座，20-标定台，21-加热板，22-调平板，23-压力传感器，24-第一弹性垫，25-第二弹性垫，26-调平螺母，27-温度传感器，30-测力装置，31测力探头，40-升降驱动机构，41-升降台，42-支撑板，43-连接杆，44-丝杆，45-步进电机。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的一种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基座10、升降驱动机构40、测力装置30、标定台20和控制器。升降驱动机构40安装在基座10上，且升降驱动机构40的升降端连接着一个升降台41，在升降驱动机构40的驱动下，升降台41可上下运动。在升降台41的侧面固定有测力装置30，测力装置30设有竖直朝下的测力探头31，用于测量压力传感器23的压力。在基座10上设有标定台20，标定台20包括设置在基座10上方的加热板21，加热板21通过外接加热模块改变加热板21的温度。在加热板21的上方、测力探头31的正下方安装有待标定的压力传感器23，加热板21的下方安装有温度传感器27用于测量加热板21的温度。此外，加热模块的一端连接加热板21，另一端连接控制器，控制器通过控制加热模块，从而改变加热板21的温度。升降驱动机构40的控制端连接控制器的输出端，控制器控制升降驱动机构40的升降台41上下运动。压力传感器23通过外部连接电阻转电压模块与数据采集卡连接，数据采集卡将采集到的电压传输到控制器中。温度传感器27与数据采集卡连接，将采集到的温度传输到控制器中，控制器通过所需设定的温度，控制加热模块，从而使加热板21加热，达到测试所需的温度。测力装置30将采集到的压力信号传输到控制器中，控制器通过接收的相应压力值、电压值和温度值对压力传感器23在不同温度下的压力值与电压值进行标定。

本实施例提供的压力传感器标定装置，通过采用升降驱动机构40上连接的升降台41带动测力装置30上下运动，从而将压力传感器23的压力值传输到控制器中，压力传感器23通过外接电阻转电压模块后与数据采集卡连接，从而通过数据采集卡将压力信号传输到工控机中，从而实现压力传感器23的标定。为了标定的精确性，还设置了加热板21，通过对加热板21设置不同的温度，从而实现压力传感器23在特定压力值下、不同温度的标定，可提高压力传感器23标定的准确性，且本实施例提供的压力传感器标定装置结构简单、使用方便、经济实用。

在一些实施例中，如图2、图3所示，在标定过程中，为了保证标定过程不受其它因素影响，保证标定的可靠性，在标定台20中还设置了调平板22。调平板22设置在加热板21的下方、并通过螺栓和调平螺母26连接，在调平板22与加热板21之间还设有第一弹性垫24。其中，在调平板22的上部设有4个调平螺母26，在调平板22和加热板21之间的4个螺栓之间都安装有第一弹性垫24，通过调节4个调平螺母26，改变第一弹性垫24的压缩程度，从而调平。

可选的，为了达到更好的调平效果，可在基座10和调平板22之间的螺栓上也分别安装第二弹性垫25。其中螺栓贯穿基座10，与第二弹性垫25、调平板22、第一弹性垫24和加热板21，与调平螺母26连接。当对加热板21调平时，调节4个调平螺母26，改变第一弹性垫24和第二弹性垫25的压缩程度，从而实现调平，保证测力装置30在下压测试压力传感器23的压力时，压力测试的准确性。

需要说明的是，由于第一弹性垫24和第二弹性垫25靠近加热板21，因此，第一弹性垫24和第二弹性垫25均采用耐高温的弹性橡胶，可延长使用的寿命，更易于加热板21调平。

可选的，压力传感器23可以选用FSR电阻式薄膜压力传感器，可将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，压力传感器23通过外部连接电阻转电压模块从而将电阻值的变化转化成电压值的变化。数据采集卡与电阻转电压模块连接后，将收集到的电压信号传输到工控机上的标定软件上。

在一些实施例中，升降驱动机构40除包括上述的升降端连接的升降台41外，为了保证升降驱动机构40的稳定，在基座10上还设置了连接杆43，在连接杆43的另一端设置有支撑板42,。在基座10和支撑板42之间设置有可以转动的丝杠螺母副，升降台41设置在丝杆44上，通过丝杆螺母固定升降台41。在升降台41的侧面安装有测力装置连接板，测力装置30通过测力装置连接板与升降台41固定，举例说明，升降台41与测力装置连接板、测力装置连接板与测力装置30可以通过螺栓连接固定。

具体地，支撑板42上还安装有步进电机45，步进电机45的输出轴通过联轴器与丝杠44连接。需要说明的是，本申请中的控制器为工控机，在工控机上预先安装好运动控制卡和标定软件。步进电机45连接步进电机驱动器，步进电机驱动器与工控机上安装的运动控制卡连接。因此，工控机上安装的标定软件向步进电机45发送运动命令，从而控制升降台41上下移动，与升降台41固定在一起的测力装置30的测力探头31即可接触并检测到压力传感器23的压力值。测力装置30通过USB数据线与工控机连接，将检测到的压力传感器23的压力数值发送给工控机，工控机上安装的标定软件读取该测量值。

为使升降驱动机构40的稳定性更好，连接杆43可对称设置有两根，升降台41贯穿连接杆43。举例说明，连接杆43的一端通过固定座固定安装在支撑板42上，另一端通过固定座固定安装在基座10上，两根连接杆43的安装方式相同。升降台41的两端分别预设有安装孔，安装孔中各安装有一组直线轴承，其中直线轴承每两个为一组，每组直线轴承通过过盈配合安装在升降台41的安装孔中。连接杆43穿过直线轴承，从而使升降台41可在一定范围内上下运动。丝杆44穿过升降台41的中间，并通过丝杆螺母固定升降台41。丝杠的上端通过第一联轴器与步进电机45的输出轴连接，丝杆44的下端与第二联轴器连接，第二联轴器的下端通过过盈配合与深沟轴承连接，深沟轴承通过过盈配合与基座10连接。

在一些实施例中，上述升降驱动机构40还可以为步进电机45驱动的链条，链条带动升降台41可上下往复的运动，不再对链条的结构进行赘述。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种上述压力传感器标定装置的标定方法。

首先需要说明的是，本申请中的控制器为工控机，在工控机上预先安装好运动控制卡和标定软件。步进电机45连接步进电机驱动器，步进电机驱动器与工控机上安装的运动控制卡连接。工控机上安装的标定软件向步进电机45发送运动命令，从而控制升降台41上下移动。测力装置30通过USB数据线与工控机连接，将检测到的压力传感器23的压力数值发送给工控机，工控机上安装的标定软件读取该测量值。测力装置30上的测力探头31与压力传感器23发生接触后，根据作用力与反作用力原理可知，测力装置30的输出值即为压力传感器23所受的压力值。加热板21上部安装有压力传感器23，压力传感器23外部连接电阻转电压模块后与数据采集卡连接，数据采集卡与工控机连接，数据采集卡将采集到的压力传感器23的电压数值发送给工控机，工控机上安装的标定软件读取该测量值。加热板21下部安装有温度传感器27，温度传感器27通过数据采集卡与工控机连接，数据采集卡采集温度传感器27的输出，将温度数据发送工控机上安装的标定软件。加热板21外部通过电压控制模块与工控机连接，标定软件通过电压控制模块调节加热板21的输入电压，进而改变加热板21的温度。

所述标定包括：

首先在常温T₁下，在工控机上设置测压范围、测试模式和压力间隔，具体包括：①设置测压范围，即根据压力传感器23的产品说明设定最大施加压力值，本实施例的测压范围为0～20N，即F₁-F_n为1N、2N、3N、4N、……、19N、20N，n为从1到20的自然数。②设置测试模式，分为增压测试模式和降压测试模式两种：增压测试模式是指标定过程中，施加压力从零逐渐增大到最大施加压力值；降压测试模式是指标定过程中，施加压力从最大施加压力值逐渐减小到零。③设置压力间隔，本实施例中，施加压力值每增大1N，就采集一组压力传感器23的输出值，即当加热板的温度为T₁时，压力值为F₁-F_n时，对应的输出电压值为V₁₁-V_1n。

本实施例中以增压测试模式为例说明测试过程。初始状态时，测力装置30的初始值为0。

常温测试步骤：当加热板的温度T₁为常温时，控制步进电机45顺时针转动，丝杠带动升降台41下移，测力装置30与压力传感器23接触后，根据作用力与反作用力原理可知，测力装置30的输出值即为压力传感器23所受压力值，当测力装置30输出值为1N时，标定软件通过步进电机驱动器控制步进电机45停止转动，标定软件读取10次压力传感器23通过采集卡输出到工控机上的电压值V₁₁，计算电压的平均值，得到一组

数据，其中，F代表压力传感器23所受压力，

代表压力传感器23在该压力下的输出电压值。

继续控制步进电机45顺时针转动，重复常温测试步骤，标定软件依次记录测力装置30输出值为2N、3N、4N、……、19N、20N时的压力传感器23的输出电压值。对得到的20组

数据进行拟合，即可得到常温环境下压力传感器的输出特性函数表达式。需要说明的是：拟合可采用三种函数进行拟合，如：线性拟合函数:y＝kx、多项式拟合函数：

或指数拟合函数：y(x)＝a*e^bx+c*e^dx。拟合过程根据测量数据所呈现的变化趋势采用适当的拟合函数来拟合。

本实施例采用的压力传感器的工作范围为-20℃～60℃，为了进一步考察不同温度T_i对压力传感器输出特性的影响，本实施例设置了6个温度考察节点，分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃，即T₂为30℃，T₃为35℃，T₄为40℃，T₅为45℃，T₆为50℃，T₇为55℃。本实施例中仍以增压测试模式为例说明测试过程。初始状态时，测力装置30的初始值为0。

温度特性测试步骤：控制步进电机45顺时针转动，当测力装置30输出值为1N时，控制步进电机45停止转动。工控机控制加热板21的温度升高至T₂为30℃时停止升温，标定软件通过数据采集卡读取10次压力传感器的输出电压值V₂₁，计算输出电压值的平均值，得到一组

数据，其中，T代表当前的温度，

代表压力传感器在该温度下的输出电压值。继续改变加热板21的温度，重复前述操作，依次记录温度为35℃、40℃、45℃、50℃和55℃时的压力传感器的输出电压值V_i1，对得到的6组

数据，然后进行拟合，其中拟合过程根据测量数据所呈现的变化趋势采用适当的拟合函数来拟合。拟合后，得到压力为1N时，不同温度T_i下的压力传感器的输出特性函数表达式。

继续控制步进电机45顺时针转动，重复温度特性测试步骤，标定软件依次记录当测力装置30的输出压力值F₂为2N时，加热板的温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃和55℃时的压力传感器的输出电压值V_i2，对得到的6组

数据，然后进行拟合，得到压力为2N时，不同温度T_i下的压力传感器的输出特性函数表达式。

重复上述温度特性测试步骤，标定软件依次记录当测力装置30的输出压力值F_n为3N、4N、……、19N、20N时，此时n为大于等于3的自然数，加热板的温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃和55℃时的压力传感器的输出电压值V_in。在每个特定的F_n下，都会得到对应的6组

数据，然后进行拟合，得到压力为F_n时，不同温度T_i下的压力传感器的输出特性函数表达式。

本申请实施例的标定过程无需人工操作，克服了人为误差对标定数据的不良影响。且通过改变加热板21的温度，可以使待标定压力传感器工作在不同的温度下，从而便于考察不同温度对压力传感器输出特性的影响。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力传感器标定装置，其特征在于，包括：

基座；

升降驱动机构，设于所述基座上，所述升降驱动机构的升降端连接一升降台；

测力装置，固定在所述升降台的侧面，所述测力装置设有竖直朝下的测力探头；

标定台，包括设置在所述基座上方的加热板，所述加热板外接用于控温的加热模块，在加热板的上表面设置与所述测力探头对应的压力传感器，所述加热板上还设有温度传感器；以及

控制器，所述控制器的相应输出端接所述加热模块和所述升降驱动机构的相应控制端，所述控制器相应输入端接所述测力装置、压力传感器和所述温度传感器的相应输出端，并根据接收的相应压力值、电压值和温度值对所述压力传感器在不同温度下的压力值与电压值进行标定。

2.如权利要求1所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述标定台还包括调平板，所述调平板设置在所述加热板下方、并通过螺栓和调平螺母连接，在所述调平板与所述加热板之间还设有第一弹性垫。

3.如权利要求2所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述第一弹性垫穿设在所述螺栓上。

4.如权利要求2所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述螺栓分别贯穿所述基座、调平板和加热板，在所述基座与所述调平板之间还设有穿设在所述螺栓上的第二弹性垫。

5.如权利要求4所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述第一弹性垫和第二弹性垫均采用耐高温的弹性橡胶。

6.如权利要求1所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述升降驱动机构包括固定在基座上的连接杆、固定在所述连接杆上部的支撑板、以及转动设置在所述基座与支撑板之间的丝杠螺母副，所述升降台与丝杆螺母固定连接。

7.如权利要求6所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述支撑板上安装有步进电机，所述步进电机的输出轴通过联轴器与丝杠连接。

8.如权利要求6所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述连接杆对称设置有两根，所述升降台贯穿所述连接杆、并沿所述连接杆具有滑动自由度，所述连接杆用于所述升降台的升降导向。

9.如权利要求1所述的压力传感器标定装置，其特征在于，所述升降驱动机构为步进电机驱动的链条，所述链条带动所述升降台具有上下往复的自由度。

10.基于权利要求1-9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：

设定加热板的试验温度为T₁，所述升降驱动机构下压，分别对所述标定台施加多个预设压力值F₁-F_n，获取测力装置测得的F₁-F_n以及压力传感器输出的对应电压值V₁₁-V_1n；

设定加热板的试验温度为T_i，所述升降驱动机构下压，分别对所述标定台施加多个预设压力值F₁-F_n，获取测力装置测得的F₁-F_n以及压力传感器输出的对应电压值V_i1-V_in；

在不同温度T_i下，对相应的F_n-V_in数据进行拟合，得到压力传感器在指定温度T_i下的第一输出特性函数；

在不同的预设压力值F_n下，对相应的T_i-V_in数据进行拟合，得到在预设压力值F_n作用下，压力传感器的第二输出特性函数；

其中，T_i表示第i次设定的温度值，i为自然数；F_n表示在每个试验温度下，预设的第n个压力值，n为自然数；V_in表示在温度为T_i、压力值为F_n时，压力传感器输出的电压值。

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