一种压力传感器标定装置和方法以及具有该装置的设备与流程

该发明创造属于仪器标定技术领域，具体涉及一种压力传感器标定装置和方法以及具有该装置的设备。

背景技术：

压力传感器是一种能够将压力信号转换成电信号的传感器，其广泛应用于各种行业中，涉及医疗器械、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。通常，新研制或生产的传感器需要对其技术性能进行全面的检定，以确定其基本的静、动态特性，包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率等。这样，产品的设计才能符合固定的标准，从而保持产品的一致性。然而，随着产品使用次数的增多和环境的变化，产品中压力传感器的性能会逐渐发生变化，用户在长期使用中必须定期对产品进行重新标定和校准，以保证产品的准确性，延长产品的使用寿命。

图1示出了一种常用的压力传感器标定方法。此方法的关键要素有三个：统一的压力源、待标定的压力传感器和压力标准器。当统一的压力源同时作用于待标定的压力传感器和压力标准器时，压力标准器可以测得压力的标准值，待标定的压力传感器通过特定电路可以输出待测值，如电压、电阻和电容等。以压电传感器为例，若通过压力源产生不同大小的压力变化，压力标准器记录下每一次压力的变化值，同时待测压电传感器记录下每一次的电路电压输出值，这样就可以得到该传感器的压力与电压值的对应曲线图，也就是该传感器的标定曲线。通过标定曲线，可以计算出该传感器的误差范围，利用软件对该传感器的压力值结果进行相应补偿。

目前的传感器标定方法大多需要人工参与，并且每个传感器只能单独标定，标定速度慢，工作量大，这也直接增加了生产的成本。另外，当传感器集成到产品中后，会随着使用频度和温湿度的变化而变化，导致测量失去准确性。如果产品需要定期校准，将会对厂商带来极大的工作量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种压力传感器标定装置和方法以及具有该装置的设备，该方案实施简便，可以自动执行，方便生产过程中对传感器进行大批量的标定和产品定期的校准。

本发明提出的一种压力传感器标定装置，该压力传感器标定装置包括底座、气囊、横梁、支柱和标定电路系统；其中，支柱用于支撑横梁，气囊固定在横梁上，从而将气囊置于横梁和底座之间；底座用于放置待标定的压力传感器，该压力传感器的一侧表面贴于底座，另一侧表面贴于气囊外表面；标定电路系统通过信号线采集该压力传感器的输出信号，标定电路系统通过导气管与气囊连接，对气囊进行充气和排气，并采集气囊内的压力信号。

本发明还提出了另一种压力传感器标定装置，该压力传感器标定装置包括底座、气囊、横梁、支柱和自动标定电路系统；其中，支柱用于支撑横梁，气囊固定在横梁上，从而将气囊置于横梁和底座之间；底座用于放置待标定的压力传感器，该压力传感器的一侧表面贴于底座，另一侧表面贴于或靠近气囊外表面；自动标定电路系统通过信号线采集该压力传感器的输出信号，自动标定电路系统通过导气管与气囊连接，对气囊进行充气和排气，并采集气囊内的压力信号。

优选地，该自动标定电路系统包括气路控制部和电路控制部，气路控制部用于对气囊的充气和排气进行控制，电路控制部用于对采集到的各信号进行处理。

更优选地，气路控制部包括气泵、单通气阀和双通气阀，电路控制部包括气压传感器、单片机、多路调理电路和多路模/数转换电路；单片机通过控制气泵、双通气阀和单通气阀来精确控制气囊的充气和放气过程；待测压力传感器信号经过多路调理电路和多路模/数转换电路处理后输出给单片机，气压传感器信号经过多路模/数转换电路处理后输出给单片机，由单片机根据接收到的气压传感器的输出值和待测压力传感器的输出值，自动对所有待测传感器进行逐一标定。

更优选地，该标定电路系统还包括通信接口电路，该通信接口电路用于发送单片机的处理结果。

更优选地，气压传感器为带温湿度补偿特性的气压传感器。

优选地，标定电路系统显示采集到的各信号。

本发明还提出了一种如前所述的压力传感器标定装置的标定方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：将待测定的压力传感器放置在底座上，启动标定电路系统；

步骤S2：标定电路系统通过导气管对气囊进行充气，检测和读取气囊内的压力值和该压力传感器的输出值；

步骤S3：对气囊内的压力值和该压力传感器的输出值进行处理，得到该压力传感器的补偿值，实现对该压力传感器的标定。

本发明还提出了另一种如前所述的压力传感器标定装置的标定方法，该方法包括如下步骤：

步骤400：用户将待测定的压力传感器放置在底座上后，启动自动标定电路系统；

步骤401：打开气泵和双通气阀，关闭单通气阀，对气囊进行预充气；

步骤402：检测气囊内气压变化，当气囊内气压值达到预设气压初始值A后，停止气泵充气；

步骤403：读取此时的气压传感器压力值B0和压力传感器压力值C0；

步骤404：重新启动气泵进行充气，充气过程维持预设时间T后，停止充气；

步骤405：读取此时气压传感器压力值Bn和压力传感器压力值Cn；

步骤406：判断此时气压传感器压力值Bn是否达到预设值D，若达到预设值D，则跳到步骤407，否则，跳回步骤404；

步骤407：打开单通气阀，对气囊进行排气；

步骤408：根据每次执行步骤405时读取的气压传感器压力值Bn和待校准压力传感器值Cn，对待校准压力传感器的静态力特性进行标定；

步骤409：根据每次步骤403到步骤405读取的气压传感器压力变化值Bn-B0与待校准压力传感器变化值Cn-C0分别进行算数平均运算，利用两者的算数平均运算结果对待校准压力传感器的动态力特性进行标定；

步骤410：保存并通过通信接口电路将标定结果输出，退出自动标定程序。

本发明还提出了一种具有前述装置的设备，该设备还包括绑定结构，其中，该横梁为弧形硬质弹性支撑物，绑定结构用于在进行该压力传感器标定时，将该设备固定于圆柱体标准件上。

优选地，该设备为腕带式脉诊仪或腕带式血压计。

本发明的有益效果：

1.本发明由于使用一定面积的气囊作为激励，可以一次性对多个传感器进行统一标定，提高效率。

2.本发明通过将激励源的控制、压力标准器的读取进行统一控制，利用软件自动对待测压力传感器进行标定，降低生产成本和时间。

附图说明

图1是现有的压力传感器标定结构示意图。

图2是本发明压力传感器标定装置的一种实施例的结构示意图。

图3是本发明压力传感器标定装置的另一种实施例的结构示意图。

图4是本发明压力传感器标定装置的自动标定方法的流程示意图。

图5是本发明压力传感器标定装置的应用示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明利用气囊充气时内外压力一致的特性，将待校准的压力传感器与气囊外部接触，通过检测气囊外部压力变化值，以及检测气囊内部气压变化值，经比较分析两者检测到的变化值，从而对待标定的压力传感器进行标定和校准。

实施例1：图2示出了本发明压力传感器标定装置的整体结构的一种实施例。该压力传感器标定装置包括放置待校准的压力传感器202的底座201、气囊203、横梁204、支柱207和标定电路系统208。为了使测量更准确，更符合使用时的环境，底座201的材料的力学特性与产品实际使用中与压力传感器202接触的物体的力学特性接近。若干待校准的压力传感器202放置在底座201上，压力传感器202的一侧表面贴在底座201上。气囊203固定在横梁204上，横梁204固定在支柱207上。标定电路系统208通过信号线206对压力传感器202的输出信号进行采集，标定电路系统208通过导气管205与气囊203连接。使用时，标定电路系统208通过导气管205对气囊203进行充气和放气，检测和读取气囊203内的标准压力值和压力传感器202的输出值，进行压力传感器的标定。压力传感器的标定可以由人参与计算和补偿，也可以由标定电路系统自动进行。压力传感器的标定采用人参与计算和补偿时，将待测定的压力传感器放置在底座上，启动标定电路系统；标定电路系统通过导气管对气囊进行充气，检测和读取气囊内的压力值和该压力传感器的输出值；对气囊内的压力值和该压力传感器的输出值进行处理，得到该压力传感器的补偿值，实现对该压力传感器的标定。采用自动标定的方式如图3所示。

实施例2：图3示出了本发明压力传感器标定装置的自动标定电路系统的一种实施例。本实施例中，标定电路系统为自动标定电路系统，其他结构同实施例1。该自动标定电路系统包括气路控制部和电路控制部。气路控制部包括气泵、单通气阀和双通气阀，电路控制部 包括气压传感器、单片机、多路调理电路、多路模/数转换电路和通信接口电路。其中，气压传感器优选采用经过严格压力校准的、带温湿度补偿特性的气压传感器。单片机通过控制气泵、双通气阀和单通气阀来精确控制气囊的充气和放气过程。待测压力传感器信号经过多路调理电路和多路模/数转换电路处理后输出给单片机，气压传感器信号经过多路模/数转换电路处理后输出给单片机，由单片机根据接收到的气压传感器的输出值和待测压力传感器的输出值，自动对所有待测传感器进行逐一标定。通信接口电路用于发送单片机的处理结果，其他外部设备接收到该处理结果后，可以直接对压力传感器进行补偿，也可以显示该处理结果，便于使用者了解压力传感器的参数状况。可以显示该处理结果的设备包括手机、平板或电脑等智能终端。

结合图2和图3对该系统的标定原理进行说明。在此系统中，当气囊203充气鼓起并同时压于横梁204和设置有压力传感器的底座201，气囊203内部的气压与外表面压于底座201的压力将保持相等。此后，当气囊充气时，气囊内部压力的变化可以被标定电路系统中的气压传感器检测到，气囊外表面的压力变化可以被压力传感器202检测到。在此装置中，气囊内部压力和气囊表面压力为相同压力源，气压传感器为压力校准器。这样，通过精确控制气囊内压力的变化，利用标准气压传感器的气压检测结果，可以对待标定的压力传感器进行标定。

图4是该装置自动标定方法的流程示意图。

步骤400：用户将待测定的压力传感器202放置在底座201上后，启动自动标定电路系统；

步骤401：打开气泵和双通气阀，关闭单通气阀，对气囊进行预充气，预充气的目的是保证压力传感器与底座充分贴合上；

步骤402：检测气囊内气压变化，当气囊内气压值达到预设气压初始值A后，停止气泵充气，气压预设初始值A的设置应该尽量保证压力传感器轻微贴合于底座上；

步骤403：读取此时的气压传感器压力值B0和压力传感器压力值C0；

步骤404：重新启动气泵进行充气，充气过程维持预设时间T后，停止充气。此处预设时间T的设置应综合考虑气泵的充气速度、传感器的灵敏度和传感器的测量范围，避免对压力传感器和气囊造成损坏；

步骤405：读取此时气压传感器压力值Bn和压力传感器压力值Cn；

步骤406：判断此时气压传感器压力值Bn是否达到预设值D，若达到预设值D，则跳到步骤407，否则，跳回步骤404。预设值D的设置应考虑压力传感器可承受的压力范围进行 设置，避免对压力传感器造成损坏；

步骤407：打开单通气阀，对气囊进行排气；

步骤408：根据每次执行步骤405时读取的气压传感器压力值Bn和待校准压力传感器值Cn，对待校准压力传感器的静态力特性进行标定；

步骤409：根据每次步骤403到步骤405读取的气压传感器压力变化值Bn-B0与待校准压力传感器变化值Cn-C0分别进行算数平均运算，利用两者的算数平均运算结果对待校准压力传感器的动态力特性进行标定；

步骤410：保存并通过通信接口电路将标定结果输出，退出自动标定程序。

实施例3：图5是一种可以利用本发明进行压力传感器标定的小型化实施例。该设备501的结构主要包括弧形硬质弹性支撑物502、绑定布504、气囊506、导气管508、压力传感器507和标定电路系统503。其中，压力传感器507是待标定和校准的压力传感器，可以是1个或多个压力传感器。绑定布504用于将设备501捆绑于圆柱体标准件505上。自动标定电路系统的构成和功能与图3所示相同。圆柱体标准件505推荐使用接近实测物体的材料，比如，若传感器用于人体的压力检测，则可以选用有一定柔软度和弹性的橡胶或硅胶材料。在压力标定时，将设备绑于圆柱体标准件505上，压力传感器507与圆柱体标准件505表面接触。当气囊充气时，压力传感器以与气囊内气体相同的压力压于圆柱体505表面。整个传感器的标定过程与图4所示的过程相同。

需要说明的是，本发明所述的原理除了能用于产品的生产过程中，也可能用于某些基于气囊加压的产品中，这样的产品本身即可以实现如本发明所述的自动标定功能，并可以随时对产品的传感器进行自动校准。因此，利用本发明所述原理进行自动校准的产品，也属于本发明的保护范围。典型的产品包括腕带式脉诊仪和腕带式血压计等。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。