本發(fā)明涉及壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及提供溫度與壓強(qiáng)環(huán)境的水下觸覺力傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)。
背景技術(shù):
水下觸覺力傳感器是水下機(jī)械手等機(jī)械裝置完成精細(xì)化作業(yè)的重要保證,是水下裝置深海開發(fā)、深海探測等感知外界信息的重要裝置。觸覺力傳感器一般使用擴(kuò)散硅、應(yīng)變片最為力敏感材料,其容易受到溫度影響產(chǎn)生溫度漂移,影響輸出精度。由于深海復(fù)雜的環(huán)境,對觸覺力傳感器標(biāo)定帶來難度。溫度隨著水深度變化產(chǎn)生梯度式變化,壓強(qiáng)也呈現(xiàn)線性的變化,給水下觸覺力傳感器的標(biāo)定工作帶了很大的挑戰(zhàn),目前還很少有水下觸覺力傳感器的相關(guān)報道。目前國內(nèi)外對擴(kuò)散硅、應(yīng)變片式壓力傳感器的標(biāo)定通常采用靜態(tài)標(biāo)定,但水下觸覺力傳感器工作于液態(tài)環(huán)境下受到水壓強(qiáng)影響,在滿足一定的水壓環(huán)境又要保證標(biāo)準(zhǔn)的觸覺力對觸覺力傳感器的給定,靜態(tài)標(biāo)定裝置無法滿足應(yīng)用。
發(fā)明專利(專利號:cn1021556022b)公開了一種應(yīng)力傳感器標(biāo)定系統(tǒng),包括應(yīng)力測試機(jī)、應(yīng)力傳感器及其二次儀表,所述應(yīng)力測試機(jī)包括底座、杠桿支架、杠桿、砝碼加載機(jī)構(gòu)、上夾具和下夾具。該發(fā)明應(yīng)力傳感器標(biāo)定系統(tǒng),其應(yīng)力測試機(jī)利用砝碼施力,并通過砝碼量值換算提供應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)參照值,由于應(yīng)力測試機(jī)加載、卸載和保載都是通過調(diào)節(jié)砝碼重量實現(xiàn),砝碼重量一旦確定,被測試件受力便恒定,因而力值測量精度高;同時此應(yīng)力測試機(jī)的杠桿支點為軸承,承載能力強(qiáng),上夾具與杠桿鉸接連接、下夾具與底座鉸接連接,可保證被測試件所受拉力或壓力在同一直線上,從而可進(jìn)一步保證所測力值的準(zhǔn)確性,然而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,沒有考慮系統(tǒng)運動過程中帶來的摩擦,沒有考慮溫度因素對傳感器帶來的影響,影響了其輸出精度。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為了克服上述現(xiàn)有產(chǎn)品的不足,本發(fā)明的目的在于提供溫度與壓強(qiáng)環(huán)境的水下觸覺力傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng),解決了溫度因素對傳感器帶來的影響,輸出精度高,具有智能化標(biāo)定、可操作性強(qiáng)的特點。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
提供溫度與壓強(qiáng)環(huán)境的水下觸覺力傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng),包括密封模擬壓力罐3,在密封模擬壓力罐3內(nèi)部設(shè)置有壓力加載系統(tǒng)與儲水空間13,儲水空間13位于壓力加載系統(tǒng)下部;
所述的密封模擬壓力罐3底部設(shè)置有壓力測量傳感器12,壓力傳感器12將得到的壓力信號傳遞給工控機(jī)20,工控機(jī)20控制壓力加載系統(tǒng)改變儲水空間13中的水的壓強(qiáng);
所述的密封模擬壓力罐3下部側(cè)面分別設(shè)置有注水閥8與排水閥10,注水閥8與排水閥10通過塑料水管18與溫度加載系統(tǒng)相連;
所述的密封模擬壓力罐3底部內(nèi)側(cè)設(shè)置有的觸覺力環(huán)境實現(xiàn)裝置觸覺力標(biāo)定裝置11,觸覺力標(biāo)定裝置11將測得的信號傳遞給工控機(jī)20。
所述的壓力加載系統(tǒng)包括伺服電機(jī)2,伺服電機(jī)2固定在密封模擬壓力罐3內(nèi)部的橫梁1上,伺服電機(jī)2通過加變速裝置4將輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€型運動轉(zhuǎn)矩形式輸出,驅(qū)動壓力活塞5作上下移動,完成對下方儲水空間13中水的壓縮,伺服電機(jī)2通過工控機(jī)20控制信號。
所述的溫度加載系統(tǒng)包括調(diào)溫恒溫水箱17,調(diào)溫恒溫水箱17上安裝有測定水溫的控制板16與顯示屏15,調(diào)溫恒溫水箱17內(nèi)部有注水泵與排水泵,注水泵與排水泵分別通過塑料水管18與注水閥8和排水閥10相連。
所述的觸覺力標(biāo)定裝置11包括觸覺力傳感器11-1與觸覺力發(fā)生裝置,觸覺力傳感器11-1固定在支架11-2上,支架11-2的底座固定在密封模擬壓力罐3底部;觸覺力發(fā)生裝置包括小型機(jī)械臂11-5,小型機(jī)械臂11-5上設(shè)置有驅(qū)動電機(jī)11-6,驅(qū)動電機(jī)11-6通過控制小臂11-7的伸縮實現(xiàn)對觸覺力傳感器11-1的觸碰;小臂11-7內(nèi)部安裝有標(biāo)準(zhǔn)力覺測量裝置-彈簧測力計;小型機(jī)械臂11-5固定在一條平行導(dǎo)軌11-3上,由電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)直線運動,平行導(dǎo)軌11-3由導(dǎo)軌底座11-4支撐。
所述的11-1為可更換結(jié)構(gòu)。
所述的觸覺力傳感器11-1為多個依次等間距設(shè)置在支架11-2上。
所述的儲水空間13側(cè)面設(shè)置有水位測量傳感器6與溫度測量傳感器7。
所述的密封模擬壓力罐3底部設(shè)置有控制電信號交換的水密連接器9,外部電源供電模塊19通過水密連接器9與密封模擬壓力罐3內(nèi)部電纜相連。
本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明主要用在水下觸覺力傳感器的陣列標(biāo)定系統(tǒng),將力傳感器的輸出值由線性的信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉牧π盘?,模擬了深水環(huán)境下大水深、大水壓環(huán)境,實現(xiàn)了觸覺力的施加,具有智能化標(biāo)定、可操作性強(qiáng)的特點。
附圖說明
圖1是水下觸覺力傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)框圖。
圖2是觸覺力傳感器標(biāo)定裝置圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1圖2所示:提供溫度與壓強(qiáng)環(huán)境的水下觸覺力傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)包括密封模擬壓力罐3,壓力加載系統(tǒng),溫度加載系統(tǒng),傳感器標(biāo)定系統(tǒng),環(huán)境測量裝置,工控機(jī)20。
其中壓力加載系統(tǒng),溫度加載系統(tǒng),傳感器標(biāo)定系統(tǒng)分布于密封模擬壓力罐3,通過位于密封模擬壓力罐3外的工控機(jī)20實現(xiàn)對密封模擬壓力罐3內(nèi)壓強(qiáng)、溫度、觸覺力的給定,實現(xiàn)觸覺力傳感器11-1上壓強(qiáng)環(huán)境、溫度環(huán)境的給定,以及加載到觸覺力傳感器11-1上的標(biāo)準(zhǔn)觸覺力的給定,在工控機(jī)20上實現(xiàn)對壓強(qiáng)、溫度、觸覺力信息以及觸覺力傳感器11-1輸出值的記錄。
在本發(fā)明中,密封模擬壓力罐3主要承受壓力部分,是水下大水深環(huán)境模擬載體。密封模擬壓力罐3采用不銹鋼材料制造,具有很好的水密性,抗腐蝕性和耐壓性。可以承受100mpa的壓力,保證了水下觸覺力傳感器11-1在密封模擬壓力罐3內(nèi)的標(biāo)定環(huán)境。在密封模擬壓力罐3內(nèi)分別安裝水位測量傳感器6、溫度測量傳感器7、壓力測量傳感器12,實現(xiàn)對水下觸覺力傳感器11-1的壓力、溫度的測量以及儲水空間13內(nèi)水的容積測量。在密封模擬壓力罐3下側(cè)裝有小型機(jī)械臂11-5實現(xiàn)對觸覺力傳感器11-1的陣列標(biāo)定。小型機(jī)械臂11-5與密封模擬壓力罐3內(nèi)觸覺力傳感器11-1的柔性觸點有信號輸出,實現(xiàn)外部電源對內(nèi)部壓力供給部分、測量部分等系統(tǒng)供電以及對內(nèi)部信號測量的輸出。
密封模擬壓力罐3側(cè)上端有一塊led顯示屏14,顯示出密封模擬壓力罐3內(nèi)水位、壓強(qiáng)、溫度、時間等信息。
在本發(fā)明中的壓力加載系統(tǒng),主要實現(xiàn)對觸覺力傳感器11-1的壓強(qiáng)環(huán)境給定,也是對觸覺力傳感器11-1的密封性、絕緣性、可靠性的條件檢驗。壓力加載值通過工控機(jī)20控制可以實現(xiàn)0mpa~60mpa的壓強(qiáng)給定,壓力加載的驅(qū)動裝置通過伺服電機(jī)2實現(xiàn),大轉(zhuǎn)矩輸出通過加變速裝置4實現(xiàn),并將伺服電機(jī)2的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為線性運動,作閉環(huán)壓強(qiáng)控制。伺服電機(jī)2固定于橫梁1上,通過伺服電機(jī)2的加變速裝置4將輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€型運動轉(zhuǎn)矩形式輸出,驅(qū)動壓力活塞5作上下移動,完成對儲水空間13水的壓縮。密封模擬壓力罐3內(nèi)裝有壓力測量傳感器12測量儲水空間中水的壓強(qiáng)值。在整個壓力給定的控制過程中,工控機(jī)20通過操作者設(shè)定的壓強(qiáng)值,及總線獲取分布在密封模擬壓力罐3內(nèi)的壓力傳感器12的實際環(huán)境壓力值,通過程序做pid計算,得到驅(qū)動伺服電機(jī)2的控制量,將控制量作用于伺服電機(jī)2實現(xiàn)閉環(huán)控制。為了防止壓力值過載,通過調(diào)整pid參數(shù)實現(xiàn)無超調(diào)量的pid控制。壓力加載系統(tǒng)中伺服電機(jī)2做了防水處理,并具有良好的起、制動能力,伺服電機(jī)2與加變速裝置4裝有o型圈,實現(xiàn)良好的防水效果。
在本發(fā)明中的溫度加載系統(tǒng),主要實現(xiàn)觸覺力傳感器11-1工作的標(biāo)定溫度范圍,實現(xiàn)-10°~40°溫度范圍內(nèi)的水環(huán)境。溫度加載系統(tǒng)主要由密封模擬壓力罐3外的調(diào)溫恒溫水箱17實現(xiàn),調(diào)溫恒溫水箱17可提供標(biāo)準(zhǔn)溫度的水,通過水泵排入密封模擬壓力罐3內(nèi)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)水溫的水的注入。在排入水之前首先將密封模擬壓力罐內(nèi)的水排凈,然后注入標(biāo)準(zhǔn)水溫的水,通過密封模擬壓力罐3底部測量水溫的溫度測量傳感器7測量水溫溫度,通過工控機(jī)20讀取水溫溫度。溫度加載系統(tǒng)中調(diào)溫恒溫水箱17上裝有水溫控制板16,可實現(xiàn)溫度的設(shè)置與輸入。調(diào)溫恒溫水箱17上裝有顯示屏15,實現(xiàn)溫度、水位、時間等水箱內(nèi)水信息的顯示。
溫度加載系統(tǒng)中的調(diào)溫恒溫水箱17,是實現(xiàn)恒溫水的關(guān)鍵部分。調(diào)溫恒溫水箱17內(nèi)部與水龍頭連接,可以實現(xiàn)自來水的注入。調(diào)溫恒溫水箱17內(nèi)部有溫度加熱裝置以及溫度制冷裝置,內(nèi)部自帶微控制器與溫度傳感器,操作者通過設(shè)定溫度值將標(biāo)準(zhǔn)溫度值輸入給微控制器,微控制器通過測量調(diào)溫恒溫水箱內(nèi)部水溫度給出相應(yīng)的控制量以實現(xiàn)溫度加熱裝置以及溫度制冷裝置的啟動,通過pid控制完成標(biāo)準(zhǔn)水溫的獲取。向密封模擬壓力罐3注入標(biāo)準(zhǔn)溫度的水,減少了密封模擬壓力罐3內(nèi)水溫調(diào)節(jié)功能,簡化了密封模擬壓力罐3內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中的觸覺力標(biāo)定裝置11,可以實現(xiàn)多個觸覺力傳感器11-1的依次標(biāo)定,減少了按照順序標(biāo)定的工作量。觸覺力傳感器11-1標(biāo)定裝置主要實現(xiàn)對差壓式應(yīng)變片式或者擴(kuò)散硅式傳感器的標(biāo)定,實現(xiàn)了對不同形狀感知外界力信息的觸覺力傳感器11-1的標(biāo)定。
在標(biāo)定過程中,將多個觸覺力傳感器11-1依次排列固定在支架11-2上,支架11-2下部有底座固定于密封模擬壓力罐3的底部,保證觸覺力傳感器11-1與水的充分接觸以及與小型機(jī)械臂11-5的充分接觸。觸覺力發(fā)生裝置由一個小型機(jī)械臂11-5實現(xiàn),小型機(jī)械臂11-5由驅(qū)動電機(jī)11-6實現(xiàn)對小臂11-7的伸縮運動,實現(xiàn)對觸覺力傳感器11-1的觸碰。小型機(jī)械臂11-5的小臂末端11-7可以更換不同的工件實現(xiàn)與觸覺傳感器11-1的良好接觸。小型機(jī)械臂11-5的小臂內(nèi)部裝有彈簧測力計,實現(xiàn)機(jī)械臂與觸覺力傳感器11-1接觸力的測量。小型機(jī)械臂11-5固定在一條平行導(dǎo)軌11-3上,由電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)直線運動,平行導(dǎo)軌由導(dǎo)軌底座11-4支撐。當(dāng)密封模擬壓力罐3內(nèi)水的溫度值、壓強(qiáng)值滿足標(biāo)定要求時,可以通過步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)小型機(jī)械臂11-5在平行導(dǎo)軌11-3上的移動。由于位置已知,可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的位置控制,保證小臂11-7與觸覺力傳感器11-1的充分接觸。小臂11-7內(nèi)部有步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)小臂11-7的伸縮運動,保證了與觸覺力傳感器11-1的觸覺值大小給定。通過伸出的位移量保證觸覺力值的給定。小臂11-7內(nèi)部裝有觸覺力傳感器11-1實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)觸覺力值的測量。利用小型機(jī)械臂11-5觸碰實現(xiàn)觸覺力的給定,避免了用標(biāo)準(zhǔn)砝碼給定標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)值的水環(huán)境接觸問題,解決了活塞式壓力計在觸覺力傳感器11-1標(biāo)定中的弊端,利用小型機(jī)械臂11-5直接觸碰,通過平行導(dǎo)軌11-3保證觸覺力傳感器11-1的充分接觸。
在本發(fā)明中的工控機(jī)20,完成對整個系統(tǒng)信息采集及控制功能。提供觸覺力傳感器11-1上的壓強(qiáng)環(huán)境、溫度環(huán)境,給定加載到觸覺力傳感器11-1上的標(biāo)準(zhǔn)觸覺力,采集壓強(qiáng)、溫度、觸覺力信息以及觸覺力傳感器11-1的輸出。工控機(jī)20、電源模塊19通過電纜實現(xiàn)與密封模擬壓力罐3內(nèi)傳感器連接,實現(xiàn)了對罐內(nèi)信息的數(shù)據(jù)采集,以及對罐內(nèi)各單位的供電、控制功能。
本發(fā)明中的環(huán)境測量裝置主要實現(xiàn)對水下觸覺力傳感器11-1所處環(huán)境的壓強(qiáng)值測量,所處標(biāo)定環(huán)境的溫度值測量,對密封模擬壓力罐3內(nèi)水溫測量,將測量數(shù)據(jù)供工控機(jī)20采集。在采集過程中水位測量傳感器6與溫度測量傳感器7和壓力測量傳感器12帶有濾波、抗干擾功能,消耗功率小,對整體電路系統(tǒng)起到節(jié)能作用。
本發(fā)明中的外部電源供電模塊19,實現(xiàn)了對密封壓力模擬罐3內(nèi)各個單位的電源供電,分別使用獨立電纜供電,并且加了相應(yīng)抗干擾、濾波功能。外部電源供電模塊帶有輸出電壓儀表指示電壓輸出,內(nèi)部帶有電流保護(hù)實現(xiàn)輸出保護(hù)。外部電源供電模塊19位于密封壓力模擬罐3外側(cè),與模擬罐3內(nèi)側(cè)的電纜信號通過水密連接器9連接,水密連接器9具有絕緣、防水功能,保證壓力罐內(nèi)電信號與壓力罐外電信號的穩(wěn)定連接。
密封模擬壓力罐,其承受標(biāo)定環(huán)境壓力部分,是水下大水深環(huán)境模擬載體。在密封模擬壓力罐內(nèi)分別安裝有水位、溫度、壓力測量傳感器,實現(xiàn)對水下觸覺力傳感器的壓力、溫度的測量以及密封模擬壓力罐內(nèi)水的容積測量。在密封模擬壓力罐下側(cè)裝有小型機(jī)械臂實現(xiàn)對觸覺力傳感器的陣列標(biāo)定。小型機(jī)械臂與模擬壓力槽接觸端有電纜實現(xiàn)外部電源對內(nèi)部壓力供給部分、測量部分等系統(tǒng)供電以及對內(nèi)部信號測量的輸出。壓力罐外側(cè)上端有一塊led顯示屏,顯示密封模擬壓力罐內(nèi)水位、壓強(qiáng)、溫度、時間等信息。
壓力加載系統(tǒng),實現(xiàn)對觸覺力傳感器的0mpa~60mpa的壓強(qiáng)環(huán)境給定。由工控機(jī)計算得到控制量控制伺服電機(jī)作閉環(huán)控制,通過伺服電機(jī)加變速裝置將輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€型運動轉(zhuǎn)矩形式輸出。模擬壓力罐內(nèi)裝有壓強(qiáng)傳感器測量水的壓強(qiáng)值??刂破鬏敵鲂盘柨刂扑欧姍C(jī),伺服電機(jī)驅(qū)動壓力活塞,壓力活塞壓縮水實現(xiàn)壓力罐水壓調(diào)節(jié)。
溫度加載系統(tǒng),主要實現(xiàn)觸覺力傳感器工作標(biāo)定的溫度范圍,實現(xiàn)-10°~40°溫度范圍內(nèi)的水環(huán)境。溫度加載系統(tǒng)主要由壓力罐外的調(diào)溫恒溫水箱提供標(biāo)準(zhǔn)溫度的水,通過水泵泵入壓力罐內(nèi)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)水溫的注入。
傳感器標(biāo)定系統(tǒng),主要實現(xiàn)觸覺力傳感器的固定以及柔性觸點觸覺力的實現(xiàn)。其中小型機(jī)械臂的小臂末端可以更換不同的工件實現(xiàn)與觸覺傳感器的良好接觸。小型機(jī)械臂的小臂內(nèi)部裝有標(biāo)準(zhǔn)的力覺測量裝置-彈簧測力計,實現(xiàn)小型機(jī)械臂與觸覺力傳感器接觸力的測量。小型機(jī)械臂固定在一條由電機(jī)驅(qū)動的平行導(dǎo)軌上,實現(xiàn)直線運動,平行導(dǎo)軌由導(dǎo)軌底座支撐。觸覺力加載裝置在溫度和壓強(qiáng)滿足設(shè)定要求的前提下,通過移動小型機(jī)械臂實現(xiàn)陣列傳感器的觸覺力標(biāo)定實驗,記錄此時的觸覺力值、觸覺傳感器的輸出值,溫度值,壓強(qiáng)值,完成標(biāo)定實驗的數(shù)據(jù)采集工作。
工控機(jī),完成對整個系統(tǒng)的整體控制功能。實現(xiàn)對密封模擬壓力罐內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度、觸覺力給定,實現(xiàn)觸覺力傳感器上壓強(qiáng)環(huán)境、溫度環(huán)境的提供,以及加載到觸覺力傳感器上的標(biāo)準(zhǔn)觸覺力的給定,在工控機(jī)上實現(xiàn)對壓強(qiáng)、溫度、觸覺力信息的采集。工控機(jī)、電源模塊通過電纜與密封模擬壓力罐內(nèi)傳感器連接,實現(xiàn)了對罐內(nèi)信息的數(shù)據(jù)采集,以及對罐內(nèi)各單位的供電、控制功能。
環(huán)境測量裝置,主要使用水位、溫度、壓力傳感器實現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的測量。本發(fā)明環(huán)境測量裝置,通過移動小型機(jī)械臂實現(xiàn)多只傳感器的觸覺力陣列標(biāo)定實驗,工控機(jī)記錄此時的觸覺力值、觸覺傳感器的輸出值,溫度值,壓強(qiáng)值,完成標(biāo)定實驗的數(shù)據(jù)采集工作。本裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊,觸覺力連續(xù)可調(diào),溫度、壓強(qiáng)可調(diào)的特點。
本發(fā)明的工作原理:
本發(fā)明裝置在實驗標(biāo)定中,首先檢查各個環(huán)節(jié)是否穩(wěn)定可靠。在檢查完好的情況下,給密封模擬壓力罐3供水,供水過程通過在調(diào)溫恒溫水箱17上裝設(shè)的溫度控制板16設(shè)置溫度,啟動調(diào)溫恒溫水箱17工作。調(diào)溫恒溫水箱17抽取自來水,根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)加、減溫裝置實現(xiàn)對水溫調(diào)節(jié)。滿足溫度要求后將供水閥打開,在工控機(jī)20上實現(xiàn)對密封模擬壓力罐3供水。供水結(jié)束后,供水閥關(guān)閉。啟動壓力加載裝置,通過在工控機(jī)20上設(shè)置相應(yīng)壓力值來模擬水下壓強(qiáng)。工控機(jī)20采集水的實際壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值,經(jīng)過pid計算獲取控制量加載至驅(qū)動壓強(qiáng)裝置的伺服電機(jī)2,伺服電機(jī)2完成相應(yīng)壓強(qiáng)值給定。當(dāng)滿足壓強(qiáng)與溫度條件后,工控機(jī)20開始控制小型機(jī)械臂11-5依次完成對觸覺力傳感器11-1的觸碰,觸碰過程記錄觸覺力值、觸覺力傳感器11-1的輸出值,環(huán)境壓力值、環(huán)境溫度值,在工控機(jī)20上存表格完成多傳感器的同溫、同壓強(qiáng)下的觸覺力標(biāo)定。然后循環(huán)實現(xiàn)再設(shè)置新的溫度、壓強(qiáng)值完成不同溫度點、壓強(qiáng)點觸覺力的標(biāo)定。