压力传感器标定系统及方法

1.本发明属于压力传感器标定技术领域，具体地涉及一种压力传感器标定系统及方法。


背景技术：

2.压力传感器(pressure transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器广泛应用于汽车、航空航天、医疗和石油测井等领域，其作为上述领域测量压力的核心部件，需要具有测量精度高和可靠性高的特点。压力传感器通过信号变换过程将感受到的压力信号转换为电信号输出，输出信号uout与输入的压力值p有确定的函数关系，一些对温度敏感的传感器还存在对温度的依赖关系。在压力传感器第一次出厂时，需要通过标定过程确定输出信号与压力输入值之间的变换关系和系数，以及传感器的测量精度等性能指标。一方面，由于制作材料、工艺等因素引入一些误差，会导致压力传感器实际测量的压力值与真实值存在偏差，所以需要在使用之前进行刻度标定。另一方面，随着使用时间的增加，压力传感器的压力敏感元件会存在物理性能上的变化，从而导致输出信号与压力输入值之间的变换系数发生变化，压力传感器的测量精度会出现不同程度的下降，有时甚至超出其标称刻度，无法继续使用，需要进行定期标定以校准精度。
3.目前，常用的压力传感器标定装置有活塞压力计、杠杆式和弹簧压力计式标定系统，这些标定系统在进行压力标定时，需要手动按照复杂的标定程序进行标定，具体包括人工调节压力源压力、人工记录和输入压力数据以及测量数据，这种手动标定存在控制精度低、系统误差大、标定结果不准确，以及工作效率低和成本高等问题。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是提供一种压力传感器标定系统及方法，待标定压力传感器和标准压力传感器处的环境温度及工作压力相同，通过待标定压力传感器输出电信号数据，及标准压力传感器测量得到工作压力值，终端将获取到的电信号数据与工作压力值进行拟合，可获得待标定压力传感器的标定刻度系数值，可实现对待标定压力传感器的自动标定，这样可提高对待标定压力传感器的校准精度，减小了误差，可使得标定结果更准确，由于可同时对多个待标定压力传感器进行标定，提高了工作效率，并可降低压力传感器的标定成本。
6.(二)技术方案
7.为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种压力传感器标定系统，包括：温箱，用于为待标定压力传感器和标准压力传感器提供工作环境温度；采集控制单元，其分别与所述温箱、待标定压力传感器和标准压力传感器连接，所述采集控制单元用于获取所述待标定压力传感器输出的电信号数据、所述温箱的温度数据和标准压力传感器输出的标准压力数据，以及用于控制所述温箱，使其达到设定的温度；终端，其与所述采集控制单元连
接，所述终端用于发送控制指令，以使所述温箱达到设定的温度，并获取所述采集控制单元输出的所述待标定压力传感器的电信号数据、温度数据与标准压力数据，并基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定；管路装置，其设置于所述温箱内，所述管路装置包括：管路机构，其具有加压入口、泄压出口和多个所述工作出口，多个所述工作出口设于所述加压入口和所述泄压出口之间；其中，所述加压入口用于与所述压力源连接，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供设定的压力；多个所述工作出口用于分别与每个待标定压力传感器和标准压力传感器连接。
8.优选的，所述管路机构与所述压力源之间设有加压阀，所述加压阀的进口与所述压力源通过压力管路连通，所述加压阀的出口与所述加压入口通过压力管路连通；所述泄压出口的压力管路上设有减压阀，所述减压阀出口的压力管路延伸至收集瓶内。
9.优选的，所述管路装置还包括：底座；导轨，其与所述底座连接，所述管路机构与所述导轨滑动连接，以使所述管路机构相对于所述底座上下移动。
10.优选的，所述管路机构包括：安装板；管路单元，其与所述安装板连接固定，所述管路单元上具有所述加压入口、泄压出口和多个所述工作出口；滑块，其与所述安装板连接固定，且所述滑块位于所述安装板的四角，所述导轨上设有滑槽，所述滑块与滑槽滑动配合。
11.优选的，所述采集控制单元包括：接口转换器，其用于根据不同传感器的电气信号接口进行数据采集转换；以及与所述接口转换器连接的控制器，其与所述终端连接，所述控制器用于控制所述温箱，使其达到设定的温度，以及获取所述待标定压力传感器输出的电信号数据、所述温箱的温度数据和标准压力传感器输出的标准压力数据。
12.本发明的第二方面提供了一种压力传感器标定方法，包括：将管路装置设置于温箱内，将待标定压力传感器和标准压力传感器均连接于管路装置的工作出口上；将管路装置的加压入口与压力源连接；将采集控制单元与温箱、待标定压力传感器和标准压力传感器分别连接；将终端与所述采集控制单元连接；基于接受的控制指令，以使所述温箱调节至设定温度，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供工作环境温度；将压力源调节至设定的压力，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供设定的压力；获取所述待标定压力传感器输出的电信号数据、所述温箱的温度数据和标准压力传感器输出的标准压力数据；基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定。
13.优选的，基于接受的控制指令，以使所述温箱调节至设定温度，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供工作环境温度之前还包括检查管路装置的气密性：打开加压阀和减压阀，均匀地按压压力源的自吸泵，将管路装置的压力管路内的气体排出，通过观察液压油收集瓶中气泡冒出的情况判断是否已经将压力管路内的气体排出完毕；压力管路内的气体排出完毕后关闭减压阀，通过压力源均匀地给所述待标定压力传感器缓慢加压，直至加压至目标压力，检查压力是否能正常加上以及管路装置是否有液压油泄漏；目标压力下保持10分钟，当压力稳定后，将系统压力调为零。
14.优选的，基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定包括：s51:设置第一温度标定值以及在第一温度标定值下设置多个压力标定值，第一温度标定值通过采集控制单元发送给温箱，以使温箱保持第一温度标定值；s52:在第一温度标定值下，通过压力源调节压力标定值，并通过标准压力传感器反馈至终端；s53:在每个压力标定值下获取待标定压力传感器的电信号数据，将所述电信号数据与压力标定
值进行拟合得到标定拟合曲线；s54:重复s51、s52和s53，得到不同温度下的相对应的标定拟合曲线，根据相对应温度下的标定拟合曲线得到待标定压力传感器的标定刻度系数值。
15.优选的，基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定还包括：基于所述标定刻度系数值将待标定压力传感器的输出值转换为新的压力测量值，新的压力测量值与标准压力值进行比对，当误差小于设定的阈值，则标定成功，将所述标定刻度系数写入待标定压力传感器。
16.(三)有益效果
17.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
18.1、本发明提供的压力传感器标定系统及方法，待标定压力传感器和标准压力传感器处的环境温度及工作压力相同，通过待标定压力传感器输出电信号数据，及标准压力传感器测量得到工作压力值，终端将获取到的电信号数据与工作压力值进行拟合，可获得待标定压力传感器的标定刻度系数值，可实现对待标定压力传感器的自动标定，这样可提高对待标定压力传感器的校准精度，减小了误差，可使得标定结果更准确，由于可同时对多个待标定压力传感器进行标定，提高了工作效率，并可降低压力传感器的标定成本。
19.2、本发明提供的压力传感器标定系统及方法，可在标定试验之前检查管路的气密性，以及可将管路装置的压力管路内的气体排出完毕，确保标定试验的顺利进行，并使标定结果更准确。
20.3、本发明提供的压力传感器标定系统，通过管路机构的上下升降移动，使得该管路装置的适用范围更大，可适用于工作介质为气体或液压油的工况下，因此可节约设备的制造成本。
附图说明
21.图1是本发明提供的一种压力传感器标定系统的结构框图；
22.图2是本发明提供的一种管路单元压力控制系统结构框图；
23.图3是根据本发明一实施方式的一种管路装置的结构示意图；
24.图4是根据本发明另一实施方式的一种管路装置的结构示意图；
25.图5是根据本发明又一实施方式的一种管路装置的结构示意图；
26.图6是本发明提供的一种压力传感器标定方法的流程图；
27.图7是本发明提供的一种待标定压力传感器的标定拟合曲线；
28.附图标记：
29.11
‑
温箱；12
‑
采集控制单元；13
‑
终端；14
‑
收集瓶；15
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压力源；16
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加压阀；17
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减压阀；18
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底座；19
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导轨；20
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管路单元；21
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安装板；22
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滑块；23
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滑槽；24
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待标定压力传感器；25
‑
标准压力传感器；26
‑
防护框；
30.121
‑
接口转换器；122
‑
控制器；201
‑
加压入口；202
‑
泄压出口。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本
发明的概念。
32.根据本发明的具体实施方式，第一方面，本发明提供了一种压力传感器标定系统，包括：温箱11，采集控制单元12，终端13和管路装置。如图1
‑
图5所示，温箱11，用于为待标定压力传感器24和标准压力传感器25提供工作环境温度；采集控制单元12，其分别与所述温箱11、待标定压力传感器24和标准压力传感器25连接，所述采集控制单元12用于获取所述待标定压力传感器24输出的电信号数据、所述温箱11的温度数据和标准压力传感器25输出的标准压力数据，以及用于控制所述温箱11，使其达到设定的温度；终端13，其与所述采集控制单元12连接，所述终端13用于发送控制指令，以使所述温箱11达到设定的温度，并获取所述采集控制单元12输出的所述待标定压力传感器24的电信号数据、温度数据与标准压力数据，并基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器24的标定；管路装置，其设置于所述温箱11内，所述管路装置包括：管路机构，其具有加压入口201、泄压出口202和多个所述工作出口，多个所述工作出口设于所述加压入口201和所述泄压出口202之间；其中，所述加压入口201用于与所述压力源15连接，为待标定压力传感器24和标准压力传感器25提供设定的压力；多个所述工作出口用于分别与每个待标定压力传感器24和标准压力传感器25连接。压力源15为管路机构提供工作压力时可以通过气体或液压油为介质，可以理解的是本发明的实施例是以液压油为介质；压力源15提供的压力可手动调节，多个工作出口可采用并联的方式设置于加压入口201和泄压出口202之间，这样每个工作出口输出的介质工作压力是相同的，不会造成管路上的压力损失；标准压力传感器25则是指经过标定后的能提供较高测量精度压力值的压力传感器，将标准压力传感器25直接设置于管路机构上，可对管路机构内的介质的工作压力进行直接测量得到，再通过标准压力传感器25反馈回标准压力数据(即工作压力值)，这使得输入的标准压力数据的测量精度得到有效的保证，减少了人为干预造成的误差，可以理解的是本发明的实施例中多个工作出口中可只连接一个标准压力传感器25，其余工作出口均可连接待标定压力传感器24。与此同时，待标定压力传感器24在相同的工作压力值下，将其相应的电信号数据反馈，不同的工作压力值下，则可反馈回不同的电信号数据，并一一对应；由于管路装置设置于温箱内，待标定压力传感器24和标准压力传感器25处的环境温度相同，终端13可以是计算机，终端13将获取到的电信号数据与工作压力值进行拟合，可获得待标定压力传感器24的标定刻度系数值，可实现对待标定压力传感器24的自动标定，这样可提高对待标定压力传感器24的校准精度，减小了误差，可使得标定结果更准确，由于可同时对多个待标定压力传感器24进行标定，提高了工作效率，并可降低压力传感器的标定成本。
33.如图2所示的管路单元压力控制系统结构框图，为了检查管路的气密性，以及将管路装置的压力管路内的气体排出完毕，确保标定实验的顺利进行，并使标定结果更准确，优选的方案为所述管路机构与所述压力源15之间设有加压阀16，所述加压阀16的进口与所述压力源15通过压力管路连通，所述加压阀16的出口与所述加压入口通过压力管路连通；所述泄压出口的压力管路上设有减压阀17，所述减压阀17出口的压力管路延伸至收集瓶内。加压阀16可设为液压油的进口阀门，仅可用于直接打开或关闭液压油的输入，使用前先打开加压阀16，使用完毕，关闭加压阀16。正式试验前，先打开加压阀16，通过加注液压油将管路内的空气排空；减压阀17可设为液压油的出口阀门，一方面通过调节减压阀17的输出压力可以降低压力管路内液压油的压力，另一方面可以用于校准前的压力管路内的气体排
放。打开加压阀16和减压阀17之前确认压力源15是否加注了液压油，然后打开加压阀16和减压阀17，再均匀地按压压力源15的自吸泵，将管路装置的压力管路内的气体排出，通过观察液压油收集瓶中气泡冒出的情况判断是否已经将压力管路内的气体排出完毕；当液压油收集瓶中没有气泡冒出时，可判断压力管路内的气体排出完毕；当压力管路内的气体排出完毕后关闭减压阀17，通过压力源15均匀地给待标定压力传感器24缓慢加压，直至加压至最大压力，此时检查压力是否能正常加上以及管路装置是否有液压油泄漏；在最大压力下保持10分钟，观察压力是否稳定，如果压力不稳，需要检查是否有泄漏或者管路中的气体是否排净。如果保持10分钟之后压力保持稳定，则将管路装置的压力调为零。
34.所述管路装置还包括：底座18；导轨19，其与所述底座18连接，所述管路机构与所述导轨19滑动连接，以使所述管路机构相对于所述底座18上下移动。通过对管路机构的上下升降移动，可便于安装待标定压力传感器24和标准压力传感器25，当管路机构内通入液压油时，可将压力传感器朝下安装，这样每个工作出口的压力能保持相同；当管路机构内通入气体时，可将压力传感器朝上安装，这样每个工作出口的压力能保持相同；因此通过管路机构的上下升降移动，使得该管路装置的适用范围更大，因此可节约设备的制造成本。
35.所述管路机构包括：安装板21；管路单元20，其与所述安装板21连接固定，所述管路单元20上具有所述加压入口201、泄压出口202和多个所述工作出口；滑块22，其与所述安装板21连接固定，且所述滑块22位于所述安装板21的四角，所述导轨19上设有滑槽23，所述滑块22与滑槽23滑动配合。管路单元20可包括主管路和三通等，可将三通的外径与安装板21通过焊接或螺纹连接固定，三通包括进口、出口和工作出口，进口和出口分别与主管路通过焊接或螺纹连接固定，工作出口与压力传感器可采用螺纹等可拆卸连接方式；多个三通与主管路可形成并联的连接方式。为了使得管理单元20上下移动更加稳定可靠，可在安装板21的四角固定滑块22，滑块22沿着导轨19上的滑槽23进行上下升降；滑块22上可设有螺纹孔，导轨19上可相对应地设有安装长孔，当滑块22升降到一定的位置后，采用螺栓穿过安装长孔拧入螺纹孔内，将滑块22固定于导轨19上，从而使得管路单元20的位置相对于底座18相对固定。滑块22可对称设置，当压力传感器需要更换上下安装方向时，则可将管路机构翻转180度进行安装即可，相应地加压入口201和泄压出口202采用软管连接即可实现。
36.所述采集控制单元12包括：接口转换器121，其用于根据不同传感器的电气信号接口进行数据采集转换；以及与所述接口转换器121连接的控制器122，其与所述终端13连接，所述控制器122用于控制所述温箱11，使其达到设定的温度，以及获取所述待标定压力传感器24输出的电信号数据、所述温箱11的温度数据和标准压力传感器25输出的标准压力数据。接口转换器121为根据不同压力传感器的电气信号接口开发的数据采集转换装置，控制器122可包括处理器和通信协议转换模块等，处理器可选用arm处理器；控制器122可提供标准的usb接口与计算机终端13连接，提供2路usb、5路can、1路rs232、1路rs485控制接口与压力源、温箱和压力传感器连接，提供相应的通信协议转换模块，将计算机与控制器之间的usb通信转换为与设备相适配的通信协议。
37.压力传感器标定系统还可包括：防护框26，管路装置可设置于防护框26内，其用于对管路装置进行支撑，并对待标定压力传感器24在高温及高压条件下实验时可防止由意外引起的管路装置爆炸造成伤人及对其他设备造成毁损。防护框26包括骨架，骨架可由若干角钢焊接成箱体骨架结构，可在骨架的顶部安装防爆顶板261和底部安装防爆底板262，也
可在骨架的左右两侧面安装支撑架263进行加固。
38.根据本发明的具体实施方式，第二方面，本发明提供的一种压力传感器标定方法，包括：将管路装置设置于温箱11内，将待标定压力传感器和标准压力传感器均连接于管路装置的工作出口上；将管路装置的加压入口与压力源15连接；将采集控制单元12与温箱11、待标定压力传感器和标准压力传感器分别连接；将终端13与所述采集控制单元12连接。
39.如图6所示，本发明提供的一种压力传感器标定方法，具体地包括以下步骤：
40.步骤s20:基于接受的控制指令，以使所述温箱11调节至设定温度，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供工作环境温度；
41.步骤s30:将压力源15调节至设定的压力，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供设定的压力；
42.步骤s40:获取所述待标定压力传感器输出的电信号数据、所述温箱11的温度数据和标准压力传感器输出的标准压力数据；
43.步骤s50:基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定。
44.步骤s20:基于接受的控制指令，以使所述温箱11调节至设定温度，为待标定压力传感器和标准压力传感器提供工作环境温度之前还包括步骤s10检查管路装置的气密性：打开加压阀16和减压阀17，均匀地按压压力源15的自吸泵，将管路装置的压力管路内的气体排出，通过观察液压油收集瓶中气泡冒出的情况判断是否已经将压力管路内的气体排出完毕；压力管路内的气体排出完毕后关闭减压阀17，通过压力源15均匀地给所述待标定压力传感器缓慢加压，直至加压至目标压力，检查压力是否能正常加上以及管路装置是否有液压油泄漏；目标压力下保持10分钟，当压力稳定后，将系统压力调为零。
45.步骤s50:基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定包括以下具体的步骤：s51:设置第一温度标定值以及在第一温度标定值下设置多个压力标定值，第一温度标定值通过采集控制单元12发送给温箱11，以使温箱11保持第一温度标定值；s52:在第一温度标定值下，通过压力源15调节压力标定值，并通过标准压力传感器反馈至终端13；s53:在每个压力标定值下获取待标定压力传感器的电信号数据，将所述电信号数据与压力标定值进行拟合得到标定拟合曲线；s54:重复s51、s52和s53，得到不同温度下的相对应的标定拟合曲线，根据相对应温度下的标定拟合曲线得到待标定压力传感器的标定刻度系数值。
46.步骤s50:基于所述电信号数据、温度数据与标准压力数据，以实现对待标定压力传感器的标定还包括：
47.s55：基于所述标定刻度系数值将待标定压力传感器的输出值转换为新的压力测量值，新的压力测量值与标准压力值进行比对，当误差小于设定的阈值，则标定成功，将所述标定刻度系数写入待标定压力传感器。
48.采用上述的标定系统进行标定的具体实施过程如下：设定标定计划，首先设置温度标定点(如t1、t2、t3)，之后设置压力标定点(如0psi、2500psi、5000psi、2500psi、0psi)。在温度t1条件下，在每个压力点下，可设置待标定压力传感器输出值的读取次数，取其平均值为最终读取的待标定压力传感器的输出值,此处的输出值可以是电压值或电流值等电信号数据。
49.对设置压力标定点(如0psi、2500psi、5000psi、2500psi、0psi)读取到的待标定压力传感器的最终输出值进行拟合，拟合得到的曲线如图7所示；图7中的横坐标上的标准压力值由标准传感器测量得到，纵坐标上的传感器输出物理量(为电流值ma)则由待标定传感器在同等的条件下采用上述的标定系统输出至终端13得到。
50.按照温度t2下的压力标定点(如0psi、2500psi、5000psi、2500psi、0psi)对待标定传感器进行标定刻度，得出温度t2下的标定拟合曲线；
51.按照温度t3下的压力标定点(如0psi、2500psi、5000psi、2500psi、0psi)对待标定传感器进行标定刻度，得出温度t3下的标定拟合曲线；
52.根据标定拟合曲线可得到待标定传感器的标定刻度系数值，如图7所示，在温度为25℃时，得到的某个待标定传感器的标定拟合曲线是一条斜线，则该斜线的斜率就是标定刻度系数，再根据标定刻度系数值将该待标定传感器的输出值转换为新的压力值，将该压力值重新与标准压力(由标准压力传感器测得)进行比对，如果最大误差小于特定限值，则标定成功，并将标定刻度系数写入该待标定传感器，同时生成相应的标定刻度报告。由于可同时对多个待标定传感器进行标定刻度，可在每个待标定传感器上标记数字加以区分。
53.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。