專利名稱：壓力敏感陣列標(biāo)定裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械儀表檢測或校準(zhǔn)的設(shè)備，具體是一種壓力敏感陣列標(biāo)定裝置及其方法。
背景技術(shù)：
壓力敏感陣列被用以對接觸力及壓力分布進(jìn)行測量。壓力敏感陣列通常為薄膜型壓力敏感墊，由力敏材料印刷涂層制成，其測量值通常為壓力分布的相對值，在出廠時(shí)沒有標(biāo)定具體參數(shù)。因此需要得到壓力敏感陣列各敏感點(diǎn)的具體壓力值，必須對壓力敏感陣列進(jìn)行標(biāo)定。現(xiàn)有的壓力敏感陣列標(biāo)定裝置，體積約為2m2，包括標(biāo)定倉，聚酯托盤，傳送帶，沖 氣囊等，使用時(shí)需將壓力敏感陣列用傳送帶送至標(biāo)定倉，并對氣囊充氣，在標(biāo)定倉上施加標(biāo)準(zhǔn)力，力通過氣囊傳遞到壓力敏感陣列上，對壓力敏感陣列上所有敏感單元進(jìn)行標(biāo)定?，F(xiàn)有的裝置體積大，并且安裝、標(biāo)定過程復(fù)雜，不適用于快速再標(biāo)定。而長期以來一直沒有一個(gè)便捷的標(biāo)定裝置出現(xiàn)。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN101281073A，
公開日2008_10_8，記載了一種力學(xué)傳感器陣列標(biāo)定裝置及其工作方法，裝置包括定位傳動部件和與其電連接的控制部件，定位傳動部件包括標(biāo)定的工作平臺和壓力頭測試部件，壓力頭測試部件通過Z向直線步進(jìn)電機(jī)伸縮頭連接一個(gè)測力傳感器。但該現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，不適用于快速標(biāo)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種壓力敏感陣列標(biāo)定裝置及其方法，該標(biāo)定機(jī)構(gòu)不僅能快速準(zhǔn)確對不同分布密度的壓力敏感陣列進(jìn)行標(biāo)定，而且標(biāo)定方法簡單，標(biāo)定精度高，使用方便、便捷，適用于實(shí)驗(yàn)室，科研單位等多種場合。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種壓力敏感陣列標(biāo)定裝置，包括壓敏陣列標(biāo)定托板、壓敏陣列標(biāo)定孔板、砝碼加載板和信號調(diào)理采集電路，其中壓敏陣列標(biāo)定孔板和壓敏陣列標(biāo)定托板分別位于待標(biāo)定的壓力敏感陣列的上方和下方，壓敏陣列標(biāo)定孔板上設(shè)有對應(yīng)壓力敏感陣列位置的通孔陣列且砝碼加載板設(shè)置于通孔陣列上并穿過通孔陣列對壓力敏感陣列施加壓力以進(jìn)行標(biāo)定，信號調(diào)理采集電路與壓力敏感陣列相連并采集壓力標(biāo)定信號。所述的壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板均為矩形板且四周設(shè)有定位凹槽，定位凹槽寬度為待標(biāo)定的壓力敏感陣列中的相鄰兩個(gè)敏感單元的間距。所述的砝碼加載板包括頂板和柱狀支撐，其中頂板為矩形平板，頂板四角設(shè)有柱狀支撐，砝碼加載于頂板上，相鄰柱狀支撐之間的間距為壓敏陣列標(biāo)定孔板上通孔陣列的間距的整數(shù)倍，柱狀支撐的截面大小形狀與壓敏陣列標(biāo)定孔板上通孔陣列的通孔相適配。
所述的信號調(diào)理采集電路包括依次連接的行列掃描模塊、信號調(diào)理采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及微處理器模塊，其中微處理器模塊分別與行列掃描模塊、信號調(diào)理采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連并分別傳輸行列掃描邏輯順序、信號調(diào)理增益信號、模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率信號，行列掃描模塊與待標(biāo)定壓力敏感陣列輸出行列電極相連并傳輸所選通行列信號。所述的行列掃描模塊采用改進(jìn)的基于比率測量法行列掃描電路，包括壓力墊電阻陣列、第一多路模擬開關(guān)、第二多路模擬開關(guān)、電阻鏈、控制器和比較器陣列，其中壓力墊電阻陣列的輸出端分別連接第一多路模擬開關(guān)和電阻鏈并傳輸電壓響應(yīng)信號，第二多路模擬開關(guān)的輸出端與壓力墊電阻陣列相連并傳電壓激勵(lì)信號，控制器的輸出端分別連接第一多路模擬開關(guān)和第二多路模擬開關(guān)并分別傳輸行列邏輯信號，第一多路模擬開關(guān)的輸出端和電阻鏈的輸出端均連接比較器陣列并分別傳輸采集信號和激勵(lì)電壓。所述的控制器通過將比較器陣列中的輸入極點(diǎn)的激勵(lì)電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，將激勵(lì)電壓表不為Ve,陣列中被掃描壓敏單兀阻值表不為Rij,其中i表示行，j表示列，反饋電阻Rf恒定，并考慮模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻Rm，可以得到測量電壓 值V Vout = Ve X老，其中Rs為陣列串?dāng)_；激勵(lì)電壓Vref取自激勵(lì)電壓VE，
Vret = & X因此模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果N = TT*2n = W；* 2Π，其中表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器的
分辨率。測試結(jié)果僅與被測點(diǎn)電阻有關(guān)，消除了行列串?dāng)_以及開關(guān)導(dǎo)通電阻影響。本發(fā)明涉及上述裝置的標(biāo)定方法，通過將待標(biāo)定的壓力敏感陣列放置于上述壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板之間并調(diào)整壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板的相對位置使得兩板上對應(yīng)位置的定位凹槽對齊；然后將上述砝碼加載板的四個(gè)柱狀支撐朝下放置于壓敏陣列標(biāo)定孔板上的通孔陣列中，并在砝碼加載板的頂板上從零到滿量程逐步加載砝碼，由信號調(diào)理采集電路記錄測量結(jié)果并信號處理，得到標(biāo)定結(jié)果。
有益效果本發(fā)明能夠現(xiàn)場快速對不同分布密度的壓力敏感陣列進(jìn)行標(biāo)定，陣列通孔的設(shè)計(jì)所需要的設(shè)備少，由于是直接采用砝碼加載，使標(biāo)定精度提高，且使用方便。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是壓敏陣列標(biāo)定托板結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是壓敏陣列標(biāo)定孔板結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是砝碼加載板結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是壓敏陣列標(biāo)定托板、孔板固定方式示意圖。圖6是彳目號調(diào)理米集電路不意圖。圖7是行列掃描比率測量示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例I如圖I、圖2和圖4所示，本實(shí)施例包括壓敏陣列標(biāo)定托板I、壓敏陣列標(biāo)定孔板
2、砝碼加載板3和信號調(diào)理采集電路4，其中壓敏陣列標(biāo)定托板I位于待標(biāo)定的壓力敏感陣列5的下方，壓敏陣列標(biāo)定孔板2位于壓力敏感陣列5的上方，壓敏陣列標(biāo)定孔板I上設(shè)有對應(yīng)壓力敏感陣列5位置的通孔陣列且砝碼加載板3設(shè)置于通孔陣列6上并穿過通孔陣列6對壓力敏感陣列5施加壓力以進(jìn)行標(biāo)定，信號調(diào)理采集電路4與壓力敏感陣列5相連并采集壓力標(biāo)定信號。所述的通孔陣列6的孔距為待標(biāo)定的壓力敏感陣列的孔距的整數(shù)倍，本實(shí)施例所述的通孔陣列6的孔距為壓力敏感陣列5孔距的I倍。如圖2所示，所述的壓敏陣列標(biāo)定托板I和壓敏陣列標(biāo)定孔板2均為矩形板且四 周設(shè)有定位凹槽7，定位凹槽7寬度為待標(biāo)定的壓力敏感陣列5中的相鄰兩個(gè)敏感單元的間距。如圖4所示，所述的砝碼加載板3包括頂板8和柱狀支撐9，其中頂板8為矩形平板，頂板8四角設(shè)有柱狀支撐9，砝碼加載于頂板8上，柱狀支撐9之間的間距為壓敏陣列標(biāo)定孔板2上通孔6間距的整數(shù)倍，柱狀支撐9的截面大小形狀與壓敏陣列標(biāo)定孔板2上陣列通孔6大小形狀相適配。如圖5所示，所述的信號調(diào)理采集電路4包括依次連接的行列掃描模塊、信號調(diào)理米集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及微處理器模塊，其中微處理器模塊分別與行列掃描模塊、信號調(diào)理采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連并分別傳輸行列掃描邏輯順序、信號調(diào)理增益信號、模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率信號，行列掃描模塊與待標(biāo)定壓力敏感陣列輸出行列電極相連并傳輸所選通行列信號。
如圖5所示，所述的壓敏陣列標(biāo)定托板I的四個(gè)角有耳朵10，且在固定位置有定位標(biāo)識條12。所述的壓敏陣列標(biāo)定托板I上的耳朵10有螺孔，螺孔的尺寸與翼型螺釘11相匹配，壓敏陣列標(biāo)定孔板2和壓敏陣列標(biāo)定托板I通過翼型螺釘11和簧片13配合的方式實(shí)現(xiàn)固定。所述的行列掃描模塊采用改進(jìn)的基于比率測量法行列掃描電路，包括壓力墊電阻陣列、第一多路模擬開關(guān)、第二多路模擬開關(guān)、電阻鏈、控制器和比較器陣列，其中壓力墊電阻陣列的輸出端分別連接第一多路模擬開關(guān)和電阻鏈并傳輸電壓響應(yīng)信號，第二多路模擬開關(guān)的輸出端與壓力墊電阻陣列相連并傳電壓激勵(lì)信號，控制器的輸出端分別連接第一多路模擬開關(guān)和第二多路模擬開關(guān)并分別傳輸行列邏輯信號，第一多路模擬開關(guān)的輸出端和電阻鏈的輸出端均連接比較器陣列并分別傳輸采集信號和激勵(lì)電壓。所述的第一多路模擬開關(guān)的輸出端和比較器陣列的輸入端之間設(shè)有用于將電壓響應(yīng)信號放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電壓范圍的串聯(lián)的第一電阻和帶有反饋電阻的放大器。所述的控制器中選通行電極設(shè)為懸空、非選通行電極設(shè)為接地、輸入極點(diǎn)的激勵(lì)電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，其作用在于消除非選通行列組成的陣列串?dāng)_影響和第二多路模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻對測量精度的影響。如圖7所示，所述的比較器陣列通過將比較器陣列中的輸入極點(diǎn)的激勵(lì)電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，將激勵(lì)電壓表不為Ve,陣列中被掃描壓敏單兀阻值表不為Rij,其中i表示行，j表示列，反饋電阻Rf恒定，并考慮模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻Rm，可以得到測量電壓值Vout = VeX聚’其中:RS為陣列串?dāng)_；激勵(lì)電壓Vref取自激勵(lì)電壓VE，
Wef= Ve因此模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果N =T*2n = I * &其中:η表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。本實(shí)施例所述裝置通過以下方式實(shí)現(xiàn)標(biāo)定將待標(biāo)定的壓力敏感陣列5放置于壓敏陣列標(biāo)定托板I上，并使壓敏陣列5上對應(yīng)行列與壓敏陣列標(biāo)定托板I上對應(yīng)定位標(biāo)識條12對齊；將標(biāo)定孔板2放置于壓敏陣列5，調(diào)整壓敏陣列標(biāo)定孔板2的位置，使壓敏陣列標(biāo)定托板I與標(biāo)定孔板2上對應(yīng)位置的定位凹槽7對齊。在本實(shí)施例中，因壓敏陣列標(biāo)定孔板2上陣列通孔間距為壓力敏感陣列5間距的I倍，壓敏陣列標(biāo)定托板I上、下邊定位凹槽的右邊邊緣分別與壓敏陣列標(biāo)定孔板2的上、下邊定位凹槽7的右邊邊緣對齊；壓敏陣列標(biāo)定托板I左、右邊定位凹槽7的下邊邊緣分別與壓敏陣列標(biāo)定孔板2的左、右邊定位凹槽7的下邊邊緣對齊?；善?3置于壓敏陣列標(biāo)定孔板2上，用翼型螺釘11將簧片13固定于耳朵10上的螺孔中，以此固緊壓敏陣列標(biāo)定托板 I和壓敏陣列標(biāo)定孔板2。完成上述固定后將上述砝碼加載板3的四個(gè)柱狀支撐朝下放置于壓敏陣列標(biāo)定孔板上的通孔陣列中，并在砝碼加載板的頂板上從零到滿量程逐步加載砝碼，由信號調(diào)理采集電路記錄測量結(jié)果并信號處理，得到標(biāo)定結(jié)果。所述的信號處理采用最小二乘支持向量回歸方法，建立壓力敏感單元壓力值與采集電路電壓輸出值之間的非線性關(guān)系模型，得到回歸方程:yw = Exiessv^k(XlXi) +b,
實(shí)施例2如圖3所示，當(dāng)待標(biāo)定的壓力敏感陣列5敏感單元分布密度過大，壓敏陣列標(biāo)定孔板2上陣列通孔3行列間距設(shè)置成2倍的敏感單元間距，相應(yīng)的柱狀支撐8間距也為2倍。將壓敏陣列標(biāo)定托板I與壓敏陣列標(biāo)定孔板2定位凹槽7對齊，可以對標(biāo)定區(qū)間I的敏感點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定；使壓敏陣列標(biāo)定孔板2上方定位凹槽7的左邊邊緣與壓敏陣列標(biāo)定托板I上方定位凹槽7右邊邊緣對齊，同時(shí)使壓敏陣列標(biāo)定孔板2左方定位凹槽7的上邊邊緣與壓敏陣列標(biāo)定托板I左方定位凹槽7下邊邊緣對齊，可以對標(biāo)定區(qū)間II的敏感點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。本實(shí)施例其他結(jié)構(gòu)和標(biāo)定方法與實(shí)施例I相同。通過上述方式實(shí)現(xiàn)的標(biāo)定與現(xiàn)有技術(shù)相比操作快速準(zhǔn)確，且標(biāo)定精度與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng)可控，方便用于大部分科研實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種壓力敏感陣列標(biāo)定裝置，其特征在于，包括壓敏陣列標(biāo)定托板、壓敏陣列標(biāo)定孔板、砝碼加載板和信號調(diào)理采集電路，其中壓敏陣列標(biāo)定孔板和壓敏陣列標(biāo)定托板分別位于待標(biāo)定的壓力敏感陣列的上方和下方，壓敏陣列標(biāo)定孔板上設(shè)有對應(yīng)壓力敏感陣列位置的通孔陣列且砝碼加載板設(shè)置于通孔陣列上并穿過通孔陣列對壓力敏感陣列施加壓力以進(jìn)行標(biāo)定，信號調(diào)理采集電路與壓力敏感陣列相連并采集壓力標(biāo)定信號；所述的通孔陣列的孔距為待標(biāo)定的壓力敏感陣列的孔距的整數(shù)倍； 所述的信號調(diào)理采集電路包括依次連接的行列掃描模塊、信號調(diào)理采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及微處理器模塊，其中微處理器模塊分別與行列掃描模塊、信號調(diào)理采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連并分別傳輸行列掃描邏輯順序、信號調(diào)理增益信號、模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率信號，行列掃描模塊與待標(biāo)定壓力敏感陣列輸出行列電極相連并傳輸所選通行列信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征是，所述的壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板均為矩形板且四周設(shè)有定位凹槽，定位凹槽寬度為待標(biāo)定的壓力敏感陣列中的相鄰兩個(gè)敏感單元的間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征是，所述的砝碼加載板包括頂板和柱狀支撐，其中頂板為矩形平板，頂板四角設(shè)有柱狀支撐，砝碼加載于頂板上，相鄰柱狀支撐之間的間距為壓敏陣列標(biāo)定孔板上通孔陣列的間距的整數(shù)倍，柱狀支撐的截面大小形狀與壓敏陣列標(biāo)定孔板上通孔陣列的通孔相適配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征是，所述的行列掃描模塊采用改進(jìn)的基于比率測量法行列掃描電路，包括壓力墊電阻陣列、第一多路模擬開關(guān)、第二多路模擬開關(guān)、電阻鏈、控制器和比較器陣列，其中壓力墊電阻陣列的輸出端分別連接第一多路模擬開關(guān)和電阻鏈并傳輸電壓響應(yīng)信號，第二多路模擬開關(guān)的輸出端與壓力墊電阻陣列相連并傳電壓激勵(lì)信號，控制器的輸出端分別連接第一多路模擬開關(guān)和第二多路模擬開關(guān)并分別傳輸行列邏輯信號，第一多路模擬開關(guān)的輸出端和電阻鏈的輸出端均連接比較器陣列并分別傳輸采集信號和激勵(lì)電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是，所述的第一多路模擬開關(guān)的輸出端和比較器陣列的輸入端之間設(shè)有用于將電壓響應(yīng)信號放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電壓范圍的串聯(lián)的第一電阻和帶有反饋電阻的放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是，所述的控制器中選通行電極設(shè)為懸空、非選通行電極設(shè)為接地、輸入極點(diǎn)的激勵(lì)電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，其作用在于消除非選通行列組成的陣列串?dāng)_影響和第二多路模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻對測量精度的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是，所述的比較器陣列通過將比較器陣列中的輸入極點(diǎn)的激勵(lì)電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，將激勵(lì)電壓表不為Ve,陣列中被掃描壓敏單元阻值表示為Ru，其中i表示行，j表示列，反饋電阻Rf恒定，并考慮模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻Rm，可以得到測量電壓值
8.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述裝置的標(biāo)定方法，其特征在于，通過將待標(biāo)定的壓力敏感陣列放置于上述壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板之間并調(diào)整壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板的相對位置使得兩板上對應(yīng)位置的定位凹槽對齊；然后將上述砝碼加載板的四個(gè)柱狀支撐朝下放置于壓敏陣列標(biāo)定孔板上的通孔陣列中，并在砝碼加載板的頂板上從零到滿量程逐步加載砝碼，由信號調(diào)理采集電路記錄測量結(jié)果并信號處理，得到標(biāo)定結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的信號處理是指采用最小二乘支持向量回歸方法，建立施加于待標(biāo)定的壓力敏感陣列的壓力信息與信號調(diào)理采集電路的電壓輸出信息之間的非線性關(guān)系模型，得到回歸方程= ExtesvwTk(x,Xi) + b，其中Ssv為支持向量集合，k(x,xi)為核函數(shù)，其中x，Xi表不輸入樣本，Wt表不權(quán)值向量，b表不閾值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的對齊是指壓敏陣列標(biāo)定托板上、下邊定位凹槽的右邊邊緣分別與壓敏陣列標(biāo)定孔板的上、下邊定位凹槽的右邊或左邊邊緣對齊，并且壓敏陣列標(biāo)定托板左、右邊定位凹槽的下邊邊緣分別與壓敏陣列標(biāo)定孔板的左、右邊定位凹槽的下邊或上邊邊緣對齊。
全文摘要
一種機(jī)械儀表檢測或校準(zhǔn)的壓力敏感陣列標(biāo)定裝置及其方法，該裝置包括壓敏陣列標(biāo)定托板、壓敏陣列標(biāo)定孔板、砝碼加載板和信號調(diào)理采集電路。該方法通過將待標(biāo)定的壓力敏感陣列放置于上述壓敏陣列標(biāo)定托板和壓敏陣列標(biāo)定孔板之間；將上述砝碼加載板放置于壓敏陣列標(biāo)定孔板上的通孔陣列中，并在砝碼加載板的頂板上從零到滿量程逐步加載砝碼，由信號調(diào)理采集電路記錄測量結(jié)果并信號處理，得到標(biāo)定結(jié)果。本發(fā)明可以現(xiàn)場快速對不同分布密度的待標(biāo)定的壓力敏感陣列進(jìn)行標(biāo)定，陣列通孔的設(shè)計(jì)所需要的設(shè)備少，由于是直接采用砝碼加載，沒用通過第三方測量設(shè)備標(biāo)定，使標(biāo)定精度提高，且使用方便。
文檔編號G01L25/00GK102879150SQ201210436170
公開日2013年1月16日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者蔡萍, 毛志勇, 蔡楷, 武博 申請人:上海交通大學(xué)