压力传感器标定系统及其标定方法与流程

本申请涉及检测技术领域，特别是涉及一种压力传感器标定系统及其标定方法。

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、智能穿戴、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。

压力传感器通过敏感区将压力信号转换成电信号。敏感区的材料不同，输入的压力信号与输出的电信号之间对应关系不同。压力传感器随着使用次数、使用环境以及使用时间的变化，压力传感器的性能会随之发生变化。压力传感器输入的压力信号与输出的电信号之间对应关系也会发生变化，导致实际的压力监测产生偏差。因此压力传感器需经过标定才能使用。

压力传感器的应用领域与范围之广，监测部位之复杂，促使压力传感器的研制与应用朝着柔性、大面积及高密度的方向发展。传统的人工逐点标定方法需人工控制施压和读数，受到环境因素和人为因素的影响较大，无法准确标定压力传感器。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的人工逐点标定方法需人工控制施压和读数，受到环境因素和人为因素的影响较大，无法准确标定压力传感器的问题，提供一种压力传感器标定系统及其标定方法。

一种压力传感器标定系统包括气源装置、压力控制装置、标定实施装置和数据处理装置。所述气源装置用于提供气体。所述压力控制装置与所述气源装置连通，用于接收多个外部预设压力值指令，并根据所述多个预设压力值分别输出具有不同压力的气体。所述标定实施装置与所述压力控制装置连通，用于通过所述不同压力的气体对待标定传感器施加压力，并输出多个所述压力真实值。

所述数据处理装置与所述压力控制装置电连接，用于采集所述多个所述预设压力值。所述数据处理装置与所述标定实施装置电连接，用于通过所述标定实施装置采集多个与每个所述预设压力值对应的所述压力真实值。所述数据处理装置还与所述待标定传感器电连接，用于采集与多个所述压力真实值一一对应的多个电信号值，并根据所述多个预设压力值、所述多个电信号值和所述多个压力真实值得到所述待标定传感器的标定模型。

在一个实施例中，所述标定实施装置包括加压装置。所述加压装置包括加压主体和盖板。所述加压主体的一侧开设有凹槽。所述盖板覆盖于所述凹槽的开口，所述凹槽、所述盖板包围形成气腔。所述盖板远离所述凹槽的表面用于贴合所述待标定传感器。所述盖板与所述待标定传感器的贴合面为平面。所述压力控制装置与所述成气腔连通。所述压力控制装置通过所述气腔和所述盖板向所述待标定传感器施压。

在一个实施例中，所述凹槽开口的周缘设置有凸台，所述凸台与所述盖板的贴合面为平面。

在一个实施例中，所述凸台向所述盖板的垂直投影完全投射于所述盖板的表面内。

在一个实施例中，所述加压主体为刚性构件，所述盖板为柔性板。

在一个实施例中，所述标定实施装置还包括底板和固定装置。所述底板设置于所述待标定传感器远离所述盖板的表面。所述固定装置用于将所述加压装置固定于所述底板，以密封所述凹槽。

在一个实施例中，所述标定实施装置还包括标准压力检测装置。所述标准压力检测装置与所述气腔连通，用于检测所述气腔的气压，并得到所述压力真实值。所述标准压力检测装置与所述数据处理装置电连接，用于将所述压力真实值传送给所述数据处理装置。

在一个实施例中，所述加压装置还包括进气装置。所述加压主体开设第一通孔。所述第一通孔与所述气腔连通。所述进气装置设置于所述第一通孔处。所述压力控制装置通过所述进气装置与所述气腔连通。

在一个实施例中，所述加压主体开设第二通孔。所述第二通孔与所述气腔连通。所述标准压力检测装置设置于所述第二通孔处。

在一个实施例中，所述加压装置还包括排气装置。所述加压主体开设第三通孔。所述第三通孔与所述气腔连通，所述排气装置设置于所述第三通孔处。

在一个实施例中，所述加压装置还包括安全装置，所述加压主体开设第四通孔，所述第四通孔与所述气腔连通，所述安全装置设置于所述第四通孔处。

在一个实施例中，所述压力控制装置包括控制单元和执行单元。所述控制单元用于接收多个外部预设压力值指令。所述执行单元包括进气口和出气口。所述进气口与所述气源装置连通。所述出气口与所述标定实施装置连通。所述执行单元与所述控制单元电连接，用于接收所述控制单元的控制，并根据所述多个预设压力值分别输出具有不同压力的气体。

一种标定方法，应用于如上述任一项实施例所述压力传感器标定系统，包括：

s100，所述压力控制装置接收多个外部所述预设压力值指令。

s200，所述气源装置为所述压力控制装置提供气体。

s300，所述压力控制装置根据所述多个预设压力值分别输出具有不同压力的气体。

s400，执行主体通过所述不同压力的气体对所述待标定传感器施加压力，并输出多个所述压力真实值。

s500，所述数据处理装置采集所述多个所述预设压力值。

通过所述标定实施装置采集多个与每个所述预设压力值对应的所述压力真实值。

采集所述待标定传感器与多个所述压力真实值一一对应的多个所述电信号值，并根据所述多个预设压力值、所述多个电信号值和所述多个压力真实值得到所述待标定传感器的标定模型。

在一个实施例中，在所述步骤s500中，所述标定模型包括：

s510，建立模型，

s520，求解每一个所述预设压力值对应的多个所述压力真实值的平均值，并得到每一个所述预设压力值对应的压力平均值。

s530，求解每一个所述预设压力值对应的多个所述电信号值的平均值，并得到每一个所述预设压力值对应的电信号值平均值。

s540，对多个所述压力平均值和多个所述电信号值平均值进行拟合，得到所述压力平均值与所述电信号值之间的函数关系式。

在一个实施例中，在所述步骤s510之前还包括：

s501，对所述预设压力值和与所述预设压力值对应的所述压力真实值进行比较；

s502，如果所述预设压力值和与所述预设压力值对应的所述压力真实值的差值超出预设范围，则返回所述步骤s200。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的所述压力传感器标定系统及其标定方法的原理图；

图2为本申请另一个实施例中提供的所述压力传感器标定系统及其标定方法的原理图；

图3为本申请一个实施例中提供的所述标定实施装置的结构示意图。

附图标号：

压力传感器标定系统10

对待标定传感器100

气源装置20

压力控制装置30

进气口301

出气口302

控制单元310

执行单元320

标定实施装置40

数据处理装置50

加压装置60

气腔601

加压主体610

凹槽611

凸台612

第一通孔613

第二通孔614

第三通孔615

第四通孔616

盖板620

进气装置630

排气装置640

安全装置650

底板70

固定装置80

标准压力检测装置90

第一螺纹孔600

第二螺纹孔700

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

压力传感器中典型的薄膜压力传感器由两层薄的高分子材料薄膜组成，两层薄膜的内表面分别印刷横导线和竖导线。横导线和竖导线的交叉点由特殊的敏感材料组成压力敏感区。当外力作用在敏感区时，所述敏感材料的电学特性随外力的变化产生规律变化。通过采集敏感材料的电信号变化，可实现所述外力的监测。为使所述薄膜压力传感器的标定过程可控、可批量且可自动化，目前采用气源作为压力源。因为气源施加于批量所述薄膜压力传感器的任意一点的压力都是相同的，保证了标定的精确性。同时所述气源的气压可通过阀体实现自动控制，实现任意压力值的自动输出，减小人工标定的繁杂。

由于目前生产工艺的限制，所述薄膜压力传感器成型后，两层薄膜之间与外界连通，并不构成密闭的腔体结构。若将所述薄膜压力传感器直接放在用于标定的压力腔体中并不能实现标定过程，无论施加多大的压力，所述薄膜压力传感器都不会产生响应。现有的标定技术可分为：拉压力计式标定方法、微小颗粒固体定量加压式标定方法和气体直接加压式标定方法。

所述拉压力计式为传统的人工标定方法。所述拉压力计式标定方法采用拉压力计直接作用在敏感区，逐点标定。所述拉压力计式标定方法仅适用于单个敏感区或数量少的小型传感器的标定，简单快捷，但数据需人工记录处理。

所述微小颗粒固体定量加压式标定方法采取定量的沙袋置于敏感区。通过称取不同重量的沙子获得不同的标定外力。所述微小颗粒固体定量加压式标定方法可适用于有若干个敏感区的大型传感器的标定。各敏感区标定压力均匀，但标定压力值不能直接借用沙袋的重量，数据存在误差，精确度不高。

所述气体直接加压式标定方法将传感器直接置于加压的密闭腔体内侧。所述气体直接加压式标定方法适用于密闭的封装好的压力传感器，不适用于所述薄膜压力传感器。所述薄膜压力传感器两层薄膜之间与外界连通，并不是一个密闭的腔体。若将所述薄膜压力传感器直接放在用于标定的密闭腔体中无论施加多大的压力，所述薄膜压力传感器都不会产生响应。

请参见图1，本申请实施例提供一种压力传感器标定系统10包括气源装置20、压力控制装置30、标定实施装置40和数据处理装置50。所述气源装置20用于提供气体，尤其地，所述气源装置2用于提供加压气体或高压气体。所述压力控制装置30与所述气源装置20连通，用于接收多个外部预设压力值指令，并根据所述多个预设压力值分别输出具有不同压力的气体。所述标定实施装置40与所述压力控制装置30连通，用于通过所述不同压力的气体对待标定传感器100施加压力，并输出多个所述压力真实值。

所述数据处理装置50与所述压力控制装置30电连接，用于采集所述多个所述预设压力值。所述数据处理装置50与所述标定实施装置40电连接，用于通过所述标定实施装置40采集多个与每个所述预设压力值对应的所述压力真实值。所述数据处理装置50还与所述待标定传感器100电连接，用于采集与多个所述压力真实值一一对应的多个电信号值，并根据所述多个预设压力值、所述多个电信号值和所述多个压力真实值得到所述待标定传感器100的标定模型。

其中，所述待标定传感器100不限于电阻式传感器，也可以是电容式传感器，电压式传感器等。

本申请提供的所述压力传感器标定系统10包括所述压力控制装置30。所述压力控制装置30先接收多个外部预设压力值指令，预先设定多个不同的压力值。所述压力控制装置30再根据设定自动连续输出不同压力的气体，避免人工控制，减小了操作误差。所述数据处理装置50采集所述预设压力值、所述压力真实值和所述电信号值，减小了数据采集的时间差，保证了数据采集的同步性。进而，所述压力传感器标定系统10提高了所述待标定传感器100的标定模型的正确性，也提高了所述待标定传感器100标定的准确性。

所述气源装置20是气体动力装置，用于为所述压力控制装置30和所述标定实施装置40提供带压气体。所述气源装置20可以为气泵、压缩机或风机。所述气源装置20通过管路将气体输送给所述压力控制装置30。

所述压力控制装置30用于控制进入所述标定实施装置40的压力，实现压力的自动调节，避免人工操作，减小了操作误差。

请一并参见图2，在一个实施例中，所述压力控制装置30包括控制单元310和执行单元320。所述控制单元310用于接收多个外部预设压力值指令。所述执行单元320包括进气口301和出气口302。所述进气口301与所述气源装置20连通。所述出气口302与所述标定实施装置40连通。所述执行单元320与所述控制单元310电连接，用于接收所述控制单元310的控制，并根据所述多个预设压力值分别输出具有不同压力的气体。

在一个实施例中，所述压力控制装置30包括气压控制阀。所述气压控制阀为双向可编程控制阀。所述气压控制阀包括控制模块和执行模块。所述控制模块与计算机或编程器电连接。

通过所述计算机或编程器将压力标定程序输入所述控制模块。所述压力标定程序包含多个所述预设压力值。所述执行模块包括进气口301和出气口302。所述进气口301与所述气源装置20连通。所述出气口302与所述标定实施装置40连通。

所述执行单元320与所述控制单元310电连接。所述控制单元320按照设定程序输出压力指令。所述执行单元320接收压力指令，并根据压力指令，输出所述多个预设压力值下的带压气体。所述控制模块也可以编程设定任意单点压力值，所述执行模块输出相应的带压气体。

在一个实施例中，所述设定标定压力程序包括若干循环的上升和下降过程。所述压力上升和下降过程的包含多个所述预设压力值。在上一个实施例中，所述设定标定压力程序包括100kpa、200kpa、300kpa、400kpa、300kpa、200kpa、100kpa等循环执行若干次，程序自动执行到达所述预设压力值，且在每个所述预设压力值稳定30-60秒，使得所述标定实施装置40的所述压力真实值趋于稳定，提高采集数据的精确度。

请一并参见图3，所述标定实施装置40用于给所述对待标定传感器100施加压力，并输出与所述施加压力对应的所述压力真实值。所述标定实施装置40与所述压力控制装置30连通，用于接收所述压力控制装置30输出的不同压力的气体。所述标定实施装置40可以将气压转变为接触压力，施加给所述待标定传感器100，既保证压力的均匀性又能保证标定过程的正确性。

所述数据处理装置50同时采集所述压力控制装置30输出的所述预设压力值、所述标定实施装置40输出的所述压力真实值和与所述压力真实值对应的所述电信号值。所述数据处理装置50减小了数据采集的时间差，保证了数据采集的同步性。进而，所述数据处理装置50提高了所述待标定传感器100的标定模型的正确性。

在一个实施例中，所述数据处理装置50包括数据采集模块和数据处理模块。所述数据采集模块用于采集所述预设压力值、所述压力真实值和所述电信号值。所述数据处理模块用于分析处理所述预设压力值、所述压力真实值和所述电信号值。

所述数据处理模块的处理过程包括：比较所述预设压力值和所述压力真实值。当两个参数值的差值不在预设范围内，重新进行数据采集。当两个参数值的差值在预设范围内，对多个所述压力真实值和多个所述电信号值进行数据拟合，并生成标定公式。所述标定公式为所述压力值与所述电信号值之间的函数关系式。

在一个实施例中，所述标定实施装置40包括加压装置60。所述加压装置60包括加压主体610和盖板620。所述加压主体610的一侧开设有凹槽611。所述盖板620覆盖于所述凹槽611的开口，所述凹槽611、所述盖板620包围形成气腔601。所述盖板620远离所述凹槽611的表面用于贴合所述待标定传感器100。所述盖板620与所述待标定传感器100的贴合面为平面。所述压力控制装置30与所述气腔601连通。所述压力控制装置30通过所述气腔601和所述盖板620向所述待标定传感器100施压。

所述加压装置60将气体压力转换为接触压力，并将所述接触压力施加于所述待标定传感器100。所述加压装置60可以是分体式，也可以是一体式。在一个实施例中，所述加压装置60为分体式。所述加压装置60包括所述加压主体610和所述盖板620，制作工艺简单，便于维护和检修。

所述压力控制装置30与所述气腔601连通。所述压力控制装置30为所述气腔601充气。所述气腔601的内壁承受压力，并挤压所述盖板620。所述盖板620将压力传导给所述待标定传感器100。所述盖板620与所述待标定传感器100的贴合面为平面，能够保证所述待标定传感器100受力均匀，避免出现局部压力过高，影响所述电信号值。所述凹槽611的形状可以为半球形、立方体或拱形，可以保证气体充分扩散。

在一个实施例中，所述凹槽611开口的周缘设置有凸台612，所述凸台612与所述盖板620的贴合面为平面。所述凸台612的表面计较小，所述表面的平面度较高。所述凸台612与所述盖板620的表面能够紧密贴合，减小漏气的几率，提高了所述气腔601的密封性。在上一个实施例中，所述凸台612可以为密封筋结构，减小接触面的面积，提高所述气腔601的密封性。

在一个实施例中，所述凸台612向所述盖板620的垂直投影完全投射于所述盖板620的表面内，保证所述凸台612与所述盖板620完全贴合，提高所述气腔601的气密性。

在一个实施例中，所述凸台612与所述盖板620之间可以加设密封垫圈。所述密封垫圈为弹性介质。所述密封垫圈受压时，与所述凸台612与所述盖板620紧密贴合，提高密封性能。

在一个实施例中，所述气腔601为立方体结构。所述立方体结构的相对表面相互平行。相对表面的质点之间的距离相同。气体在立体空间均匀分布。所述气腔601的检测位置附近检测值相同，进而保证所述压力真实值的准确度。

在一个实施例中，所述加压主体610为刚性构件，所述盖板620为柔性板。刚性构件依靠重力或挤压力与所述柔性板贴合。所述柔性板受挤压发生变形，同时排除表面气体。所述柔性板的表面与所述刚性构件的表面紧密贴合，减少气体流通，进而使所述加压主体610与所述盖板620之间的贴合面具有良好的密封性。

在一个实施例中，所述标定实施装置40还包括底板70和固定装置80。所述底板70设置于所述待标定传感器100远离所述盖板620的表面。所述固定装置80用于将所述加压装置60固定于所述底板70，以密封所述凹槽612。

所述固定装置80为螺钉。所述加压主体610开设与所述螺钉匹配的第一螺纹孔600，所述底板70的对应位置开设与所述螺钉匹配的第二螺纹孔700。所述待标定传感器100的相应位置开设通孔。所述螺钉顺次通过所述第一螺纹孔600、通孔和所述第二螺纹孔700，用于将所述加压装置60固定于所述底板70，以密封所述凹槽612。

在一个实施例中，所述标定实施装置40还包括标准压力检测装置90。所述标准压力检测装置90与所述气腔601连通，用于检测所述气腔601的气压，并得到所述压力真实值。所述标准压力检测装置90与所述数据处理装置50电连接，用于将所述压力真实值传送给所述数据处理装置50。

在一个实施例中，所述加压装置60还包括进气装置630。所述加压主体610开设第一通孔613。所述第一通孔613与所述气腔601连通。所述进气装置630设置于所述第一通孔613处。所述压力控制装置30通过所述进气装置630与所述气腔601连通。

在一个实施例中，所述加压主体610开设第二通孔614。所述第二通孔614与所述气腔601连通。所述标准压力检测装置90设置于所述第二通孔614处。所述标准压力检测装置90的检测端与所述气腔601中的气体接触，以检测所述气腔601的压力值。

在一个实施例中，所述加压装置60还包括排气装置640。所述加压主体610开设第三通孔615。所述第三通孔615与所述气腔601连通，所述排气装置640设置于所述第三通孔615处。

在上一个实施例中，所述排气装置640为手动排气阀。当所述压力传感器标定系统10的自动控制部件出现问题时，操作人员可以通过所述排气装置640减压，提高所述压力传感器标定系统10的安全性。

在一个实施例中，所述加压装置60还包括安全装置650。所述加压主体610开设第四通孔616。所述第四通孔616与所述气腔601连通。所述安全装置650设置于所述第四通孔616处。

所述安全装置650用于保证所述压力传感器标定系统10的安全性。当所述气腔601中的气体超过所述安全装置650的安全设定值时，所述安全装置650打开，气体放出。在一个实施例中，所述安全装置650为安全阀。所述安全阀预先设定安全压力。当所述气腔601中的气压大于安全压力，所述安全阀主动打开泄压，以避免所述气腔601压力过高，引起爆炸。

一种标定方法，应用于如上述任一项实施例所述压力传感器标定系统，包括：

s100，所述压力控制装置30接收多个外部所述预设压力值指令。

s200，所述气源装置20为所述压力控制装置30提供气体。

s300，所述压力控制装置30根据所述多个预设压力值分别输出具有不同压力的气体。

s400，执行主体通过所述不同压力的气体对所述待标定传感器100施加压力，并输出多个所述压力真实值。

s500，所述数据处理装置50采集所述多个所述预设压力值。

通过所述标定实施装置40采集多个与每个所述预设压力值对应的所述压力真实值。

采集所述待标定传感器100与多个所述压力真实值一一对应的多个所述电信号值，并根据所述多个预设压力值、所述多个电信号值和所述多个压力真实值得到所述待标定传感器100的标定模型。

在一个实施例中，在所述步骤s500中，所述标定模型包括：

s510，通过每一个所述预设压力值对应的多个所述压力真实值得到多个所述压力真实值的平均值。

s520，通过每一个所述预设压力值对应的多个所述电信号值得到的多个所述电信号值的平均值。

s530，对多个所述压力真实值的平均值和多个所述电信号值的平均值进行拟合，得到所述待标定传感器100的标定模型。

在一个实施例中，所述标定模型为所述压力平均值与所述电信号值之间的函数关系式。

所述电信号能够反映所述待标定传感器100的电学特性。在一个实施例中，所述电信号值的大小与所述待标定传感器100的性能相关。

当所述电信号为电阻时，所述函数关系式为p＝b/(lnr-a)。其中，p表示所述压力平均值，r为所述电阻值对应的所述待标定传感器100的阻值，a和b为常数。a和b的大小与所述待标定压力传感器100的性能相关。

在一个实施例中，在所述步骤s510之前还包括：

s501，对所述预设压力值和与所述预设压力值对应的所述压力真实值进行比较。

s502，如果所述预设压力值和与所述预设压力值对应的所述压力真实值的差值超出预设范围，则返回所述步骤s200。

所述预设范围为所述预设压力值的±10％。可以根据实际进行小范围调整。

在一个实施例中，在所述步骤s400之后，所述标定方法还包括：

s410，根据设定多次重复所述步骤s200-所述步骤s400，得到多组参数值。每组参数值分别包括多个预设压力值、所述多个电信号值和所述多个压力真实值。

每个所述预设压力值的稳定时间为30s-60s。每个所述预设压力值下的采样次数为n。n为100-1000次之间。n的大小可以视情况调整。

在一个实施例中，所述设定标定压力程序包括7个循环。每个循环的所述预设压力值分别为100kpa、200kpa、300kpa、400kpa、300kpa、200kpa、100kpa。每个预设压力值稳定30s。每个所述预设压力值下的对同时对所述预设压力值、所述电信号值和所述压力真实值采样次数为100次。得到与所述预设压力值多个与所述预设压力值对应的所述压力真实值。得到多个所述压力真实值一一对应的多个所述电信号值。

比较所述预设压力值和与之对应的所述压力真实值。二者只差未超过所述预设压力值的5％，可继续进行数据处理。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。