压力分布检测装置及在线消除柔性薄膜压力分布检测系统时间漂移的方法与流程

1.本发明属于压力分布检测技术领域，具体涉及一种消除柔性薄膜压力分布检测系统时间漂移的方法及实现准确压力分布检测的系统。


背景技术：

2.柔性薄膜式压力分布检测传感器，因为其中柔性材料的使用，所以不可避免都会存在漂移问题。当有固定的恒力施加在薄膜式压力分布传感器上时，检测出来的压力数据，会随着时间增加缓慢的上升。目前该漂移问题，并没有很好的解决方法来消除。
3.对于瞬时或短时间测试压力分布的场景，时间漂移影响并不太大，但是针对于些需要长时间测试压力分布变化的应用需求，漂移问题将是一个影响柔性薄膜压力分布测试系统准确度的关键因素，只有解决漂移问题，才能提高整个系统的准确度。


技术实现要素：

4.本技术要解决的问题就是消除柔性薄膜压力传感器的漂移，提高压力分布检测的准确度。
5.为解决上述问题，本发明的具体技术方案包括：
6.方案一：本发明公开一种压力分布检测装置，其包括：柔性薄膜压力分布测试系统、称重系统，以及装有压力分布检测软件的上位机；
7.所述柔性薄膜压力分布测试系统包括用于获取待测物体各单位面积的压力或压强分布数据的柔性薄膜压力感测片以及将所述压力或压强分布数据上传至上位机的第一传输模块；
8.所述称重系统包括用于获取柔性薄膜压力感测片的整体受力g的称重传感以及将所述整体受力g上传至上位机的第二传输模块；
9.所述压力分布检测软件在被上位机运行时，根据所述压力或压强分布数据计算待测物体各单位面积的压力之和fs，以及计算与压力之和fs和整体受力g相关的动态校准系数，并通过所述动态校准系数对各单位面积的压力或压强数据进行修正。
10.优选的，压力分布检测装置还包括压力传递系统，用于将柔性薄膜压力感测片的整体受力g传递至称重传感器。
11.优选的，所述压力传递系统包括一块承重板，所述待测物体和柔性薄膜压力感测片布置在承重板的上方，所述称重传感器布置在承重板的下方。
12.优选的，所述称重传感器具有一用于承载柔性薄膜压力感测片及待测物体的承载面。
13.优选的，所述称重传感器为荷重元传感器。
14.优选的，所述第一传输模块为压力分布采集器，用于将柔性薄膜压力感测片输出的模拟信号转换为数字信息后再上传至上位机；所述第二传输模块为压力变送器，用于将
称重传感器输出的模拟信号转换为数字信息后再上传至上位机。
15.方案二：本发明还公开一种在线消除柔性薄膜压力分布检测系统时间漂移的方法，包括：
16.获取待测物体各单位面积的压力或压强分布数据，根据所述压力或压强分布数据计算待测物体各单位面积的压力之和fs；
17.获取柔性薄膜压力感测片的整体受力g；
18.计算与所述压力之和fs和所述整体受力g相关的动态校准系数；
19.通过所述动态校准系数对各单位面积的压力或压强数据进行修正。
20.优选的，可通过柔性薄膜压力感测片获取待测物体各单位面积的压力或压强分布数据；可通过称重传感器获取柔性薄膜压力感测片的整体受力g。
21.优选的，该方法还包括在初始状态下，通过归零方式使称重传感器测得的的称重数据等于柔性薄膜压力感测片的整体受力g。
22.优选的，可通过所述动态校准系数对所述压力分布数据中各单位面积的压力或压强数据进行线性修正，具体包括：
23.将各单位面积的压力或压强值分别乘以动态校准系数，所述动态校准系数为k，k＝g/fs。
24.优选的，还可通过所述动态校准系数对各单位面积的压力或压强数据进行加权修正，具体包括：
25.根据式(1)和式(2)计算出k值，再基于式(1)计算各单位面积对应的加权修正系数k(x,y)；
26.k(x,y)＝k
×
{a
×
lg[p(x,y)]+b}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0027]
fs＝g＝sum[g(x,y)
×
k(x,y)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0028]
其中，k表示整体修正系数，k(x,y)表示坐标点(x,y)格点的修正系数，g(x,y)表示薄膜压力感测片修正前坐标点(x,y)的原始受力，p(x,y)表示薄膜压力感测片修正前坐标点(x,y)的原始压强值，a表示修正曲线的斜率，b表示修正曲线的截距，具体可通过计算出柔性薄膜压力感测片的实际压力曲线的一次函数趋势线的斜率、截距来确定a和b的值；
[0029]
所述动态校准系数即各点的加权修正系数k(x,y)，将各单位面积的压力或压强值分别乘以各单位面积对应的加权修正系数k(x,y)。
[0030]
本发明通过引入高精度、无漂移影响的荷重元传感器，保证荷重元传感器与柔性薄膜压力感测片承受的总压力是相等的，基于荷重元传感器输出的精确压力数据对柔性薄膜压力感测片输出的压力分布数据进行实时校准，消除时间漂移影响，输出准确的压力分布数据。
附图说明
[0031]
图1为一种压力分布检测装置的结构示意图。
[0032]
附图标注：1
‑
柔性薄膜压力感测片，2
‑
荷重元传感器、3
‑
承重板、4
‑
压力分布采集器、5
‑
压力变送器、6
‑
上位机。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步解释说明。
[0034]
实施例1公开一种在线消除柔性薄膜压力分布检测系统时间漂移的方法，该方法主要包括以下步骤：
[0035]
通过柔性薄膜压力感测片获取待测物体的压力分布数据。这里的柔性薄膜压力感测片是一种柔性薄膜压力分布传感器，可采集与其接触的待测物体的压力分布数据，其中的压力分布数据可以是待测物体各单位面积的压力或压强值。待测物体通常包括各种手机玻璃面板、显示器液晶玻璃面板、锂电池、新能源电池、印刷丝网/钢网等。在实际应用时，只要是测试两个施压接触面，面与面接触是否平整、是否施压受力均匀，平面是否平整，均可以使用该系统。
[0036]
通过称重传感器获取柔性薄膜压力感测片的整体受力g。柔性薄膜压力感测片的整体受力g可能是待测物体的实际重量，或者也可能是待测物体的实际重量与施加于待测物体的力量之和。但在实际使用时，称重传感器的称重数据，即称重传感器实际受力，可能还包括柔性薄膜压力感测片本身的重量、其它辅助模块的重量，例如，用于承载待测物体的承重板等。为简化数据构成，通常可通过归零方式，使称重传感器的称重数据就是待测物体的实际重量，或者待测物体的实际重量与施加于待测物体的力量之和，也即柔性薄膜压力感测片的整体受力g，不再包含柔性薄膜压力感测片本身的重量等其它重量。
[0037]
根据柔性薄膜压力感测片获取的压力分布数据计算其中各单位面积的压力之和f，然后计算与压力之和f和整体受力g相关的动态校准系数。
[0038]
最后，通过动态校准系数对压力分布数据中各单位面积的压力数据进行修正。
[0039]
这里的动态校准系数可以采用最简单的线性关系进行计算，为一个实时变化的值，例如，可将压力之和f和整体受力g的比值k(k＝g/f)作为动态校准系数，校准时，将各单位面积的压力数据乘以动态校准系数即可。
[0040]
基于柔性薄膜压力感测片的特性，为了更精准的修正压力分布的数据，动态校准系数还可以采用基于每个压力点的压强值动态修正的方式来计算获得。采用动态修正的校准方法，对于柔性薄膜压力感测片上的每一个点，将使用不同的校准系数。每一个点的校准系数，将基于该点的原始压强值来，用一组线性来修正计算得出。k表示整体修正系数，k(x,y)表示坐标点(x,y)格点的修正系数，g(x,y)表示薄膜压力感测片修正前坐标点(x,y)的原始受力，p(x,y)表示薄膜压力感测片修正前坐标点(x,y)的原始压强值,a表示修正曲线的斜率，b表示修正曲线的截距，a和b可根据实际柔性薄膜压力感测片测试曲线的一次函数的斜率、截距来确定。
[0041]
k(x,y)＝k
×
{a
×
lg[p(x,y)]+b}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0042]
fs＝g＝sum[g(x,y)
×
k(x,y)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0043]
依托上面式(1)和式(2)，可以计算出k值，再基于式(1)，可得出每个点的k(x,y)。这样即可完成整个薄膜压力感测片上每个点基于压强值的加权修正。
[0044]
例如，假设一个2x2的2mm格点阵列式薄膜传感器当前读取的压力值是：
[0045]
p
(1,1)
＝10kpa,p
(1,2)
＝100kpa,p
(2,1)
＝1000kpa,p
(2,2)
＝10000kpa。
[0046]
式(1)中，a取值0.4，b取值0.2，计算得到：
[0047]
k
(1,1)
＝k
×
(0.4
×
lg10+0.2)＝0.6k，
[0048]
k
(1,2)
＝k
×
(0.4
×
lg100+0.2)＝1k，
[0049]
k
(2,1)
＝k
×
(0.4
×
lg1000+0.2)＝1.4k，
[0050]
k
(1,2)
＝k
×
(0.4
×
lg10000+0.2)＝1.8k，
[0051]
格点(x,y)的修正统计重量f(x,y)＝p(x,y)
×
s
×
k(x,y)，其中，s为格点的面积，本例中为2mm x2mm＝0.04cm2，计算得到：f
(1,1)
＝100g/cm2x0.04cm2x0.6k＝2.6kg
[0052]
f
(1,2)
＝1000g/cm2x0.04cm2x1k＝40kg
[0053]
f
(2,1)
＝10000g/cm2x0.04cm2x1.4k＝560kg
[0054]
f
(2,2)
＝100000g/cm2x0.04cm2x1.8k＝7200kg
[0055]
进一步计算出整体受力fs＝7802.6kg
[0056]
假设当前称重传感器的读值为g＝5000g
[0057]
按照fs＝g，可以计算出总体修正系数k＝5000/7802.6＝约0.64
[0058]
此时可以按照已经确定的k值，重新计算出修正后的p(x,y)
[0059]
p
修(1,1)
＝p
(1,1)
×
k
(1,1)
＝10kpa
×
0.6
×
0.64＝3.84kpa
[0060]
p
修(1,2)
＝p
(1,2)
×
k
(1,2)
＝100kpa
×1×
0.64＝64kpa
[0061]
p
修(2,1)
＝p
(2,1)
×
k
(2,1)
＝1000kpa
×
1.4
×
0.64＝896kpa
[0062]
p
修(2,2)
＝p
(2,2)
×
k
(2,2)
＝10000kpa
×
1.8
×
0.64＝11520kpa
[0063]
至此完成整个的加权修正计算。按照该修正方法，修正后4个点的称重统计值任然是5000g，但是4个格点的修正系数因每个点的压强值不同做了加权修正处理,测试的数据更精准。
[0064]
通过称重传感器获取柔性薄膜压力感测片的整体受力g的实现方式，可通过称重传感器直接获取柔性薄膜压力感测片的整体受力g，不需要借助其它的力的传递机构，这种情况下称重传感器所属的称重系统通常具有一个较大的称重台面，或者待测物体足够小，以便柔性薄膜压力感测片能铺设于称重台面上并受力于待测物体或者待测物体及其施加力。
[0065]
在其它实施例中，也可以借助压力传递系统将柔性薄膜压力感测片的整体受力g全部传递至称重传感器，这种方式通常适用于称重传感器所属的称重系统体积较小，特别是称重台面的接触面较小，不能完整地铺设柔性薄膜压力感测片，也可能不能很好的承载待测物体。压力传递系统实现的一种较为简单的方式即采用一块承重板，柔性薄膜压力感测片和待测物体布置在承重板上方，称重传感器布置在承重板下方。使用时，可将柔性薄膜压力感测片铺设于承重板上表面，待测物体置于柔性薄膜压力感测片上，然后将承重板及其承载物作为一个整体放置在称重传感器上。当然，压力传递系统还可以有其它实现方式，并不限于此，只要能实现将柔性薄膜压力感测片的整体受力g全部传递至称重传感器即可。
[0066]
结合图1所示，实施例2公开一种压力分布检测装置，该装置主要包括四个部分，即柔性薄膜压力分布测试系统、荷重元称重系统、压力传递系统、装有含自动校准的压力分布检测系统软件的上位机。
[0067]
柔性薄膜压力分布测试系统主要由电性连接的柔性薄膜压力感测片和压力分布采集器组成。该系统通过柔性薄膜压力感测片测试压力分布数据，然后由压力分布采集器上传到上位机。柔性薄膜压力感测片与压力分布采集器之间通常传输的是传感器采样的模拟信号，压力分布采集器与上位机之间可以设置为usb传输的数字信号。具体的，柔性薄膜
压力感测片因为受力变化产生的压力信号，然后转换成模拟电信号输出至压力分布采集器，经过压力分布采集器模拟放大、adc采样、最终输出数字信号给与其通过usb接口连接的上位机进行数据处理。
[0068]
荷重元称重系统主要由电性连接的荷重元传感器和压力变送器组成。荷重元传感器获取到的称重数据可以通过压力变送器的rs485或rs232接口发送到上位机。荷重元传感器及压力变送器可根据需求直接采购市场上的成品件，通常只需要满足实际应用中的结构外形尺寸要求、精度要求及上位机通信接口要求即可。例如，在实际使用时，对荷重元传感器的对外形尺寸并没有具体要求，主要是结合实际应用场景，确保荷重元传感器的厚度小，可以放入其所安装的装置内；精度满足1％即可。压力变送器与上位机的通信接口可以是rs485或rs232，其主要用于接收荷重元传感器输出的随压力变化的模拟电信号，然后将其转换为数字信号后上传给上位机。
[0069]
压力传递系统在本实施例中就是一块承重板，在柔性压力感测片的检测面积较大，而荷重元称重系统的受力面积较小时，可以借助压力传递系统将柔性薄膜压力感测片上所有承受的压力都传递到荷重元传感器上。承重板作为一种最简单的实现方式，可以选择钢板、不锈钢板、铝板等金属板块，或者也可以是不易变形的非金属板，例如，塑料abs、pc等板材。当然，承重板只是压力传递系统的一种最为简单的实现方式，实际中并不限于这一种方案，只要满足能将柔性薄膜压力感测片上所有承受的压力都能传递到荷重元传感器即可。使用时，将柔性薄膜压力感测片平铺在承重板上，该感测片上承受的所有压力，将通过承重板全部传递给荷重元传感器。在实际使用时，荷重元传感器的称重重量通常包括柔性薄膜压力感测片的承受的总重量以及柔性薄膜压力感测片的自身重量、承重板的重量等，考虑到柔性薄膜压力感测片和承重板的重量为固定值，可通过归零方式消除这些重量的影响，使柔性薄膜压力感测片上承受的总重量与荷重元传感器称重的总重量是相等的，从而简化计算。
[0070]
当然，在其它应用场景中也可不使用压力传递系统，例如，荷重元系统本身就具有一个较大较平整的称重台面，或者待测物体足够小，现有的称重台面已经足够放置。
[0071]
上位机带有含自动校准的压力分布检测系统软件，该系统软件接收柔性薄膜压力分布测试系统上传的压强分布数据，例如，总共得到64行x64列共4096个的点的压强值p。对这4096个点的压强值，分别乘以对应每一个点的面积s，即可得到每个点的压力值f(f＝p*s)，最后计算得到4096个点的压力总和fs(fs＝4096*f)。同时系统软件也会接收到荷重元称重系统上传的重量数据g。基于压力传递系统的特殊结构设计，在初始测量时(未产生漂移)，荷重元传感器感测到的总重量g等于4096个点的压力总和fs。
[0072]
在测试过程中，薄膜压力分布测试因为柔性薄膜压力分布测试系统中柔性薄膜压力感测片使用的柔性薄膜材料的特性，输出的压力值会存在一定的漂移变化；但荷重元传感器则完全不存在漂移问题。因此，系统软件可以实时结合荷重元传感器的称重数据(即g)和柔性薄膜压力感测片感测到的压力总和(即fs)，计算生成一个校准系数k，并基于该校准系数k对柔性薄膜压力感测片的压力分布数据进行数据修正，消除漂移，实现准确的压力分布数据检测。
[0073]
可采用最简单的线性关系计算校准系数k，即k＝g/fs，得到该校准系数k后，将4096个点的压强值分别乘以校准系数k进行修正。经过修正后的数据就可以更准确的反应
实时检测到的压力分布数据。当然，除线性计算方法之外，实际使用时还可以结合柔性薄膜压力分布测试系统的不同压力段，对校准系数做更进一步精准修正。
[0074]
最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。