薄膜压力传感器标定装置
阅读：977发布：2020-05-08
专利汇可以提供薄膜压力传感器标定装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 提供了一种 薄膜 压 力 传感器 标定装置，涉及传感器标定的技术领域，包括作动器、力传导组件，以及用于放置薄膜 压力传感器 的支座；力传导组件包括顺次叠置的第一薄膜、保护膜和导力板，导力板用于承受作动器施加的力，第一薄膜用于与薄膜压力传感器的一侧表面 接触 。本申请通过作动器施加的力模拟实际碎石道床-土质路基界面对薄膜压力传感器产生的接触 应力 ，进而提供标定过程中所需要对薄膜压力传感器施加的力，力传导组件将作动器施加的力传递给薄膜压力传感器，薄膜压力传感器放置在支座上，进而实现受力均匀；本申请提供的标定装置模拟了实际量测碎石道床-土质路基界面接触应力的试验工况，能够对薄膜压力传感器进行精确标定。，下面是薄膜压力传感器标定装置专利的具体信息内容。
1.一种薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，包括作动器、力传导组件，以及用于放置薄膜压力传感器的支座；
所述力传导组件包括顺次叠置的第一薄膜、保护膜和导力板，所述导力板用于承受所述作动器施加的力，所述第一薄膜用于与所述薄膜压力传感器的一侧表面接触。
2.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，还包括柔性件，所述柔性件设置在所述保护膜与所述导力板之间。
3.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，在所述支座上铺设第二薄膜，所述第二薄膜用于与所述薄膜压力传感器的另一侧表面接触。
4.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，还包括支撑板，所述支撑板设置在所述支座上，用于承载所述薄膜压力传感器。
5.根据权利要求1或2所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，还包括承载组件，所述承载组件包括第二薄膜和支撑板；
所述第二薄膜铺设在所述支撑板上，所述支撑板设置在所述支座上，所述第二薄膜远离所述支撑板的一侧用于与所述薄膜压力传感器的另一侧表面接触。
6.根据权利要求5所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，所述导力板的厚度大于所述支撑板的厚度。
7.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，所述支座的支撑面的外边缘围绕所述薄膜压力传感器在所述支座上的最大投影区域。
8.根据权利要求2所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，所述柔性件为聚氨酯海绵。
9.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，所述保护膜为橡胶膜，膜厚为2mm～3mm。
10.根据权利要求5所述的薄膜压力传感器标定装置，其特征在于，所述第一薄膜和所述第二薄膜分别选用聚四氟乙烯薄膜和聚酯薄膜中的一种。
薄膜压力传感器标定装置
技术领域
背景技术
[0003] 薄膜压力传感器标定的定义如下：薄膜压力传感器在受力时，每个压力敏感单元关于压力输出的信号为8字节的DO值，即0～255，需要将其转化成工程上的压力单位(kPa)；但是由于薄膜压力传感器上的压力敏感单元众多的问题，因此迫切需要提出一种标定装置来对薄膜压力传感器进行标定。
实用新型内容
实用新型内容
[0004] 有鉴于此，本申请的目的在于提供一种薄膜压力传感器标定装置，实现对薄膜压力传感器进行精确标定。
[0005] 第一方面，本申请提供了一种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器、力传导组件，以及用于放置薄膜压力传感器的支座；
[0006] 所述力传导组件包括顺次叠置的第一薄膜、保护膜和导力板，所述导力板用于承受所述作动器施加的力，所述第一薄膜用于与所述薄膜压力传感器的一侧表面接触。
[0007] 优选地，还包括柔性件，所述柔性件设置在所述保护膜与所述导力板之间。
[0008] 优选地，在所述支座上铺设第二薄膜，所述第二薄膜用于与所述薄膜压力传感器的另一侧表面接触。
[0009] 优选地，还包括支撑板，所述支撑板设置在所述支座上，用于承载所述薄膜压力传感器。
[0010] 优选地，还包括承载组件，所述承载组件包括第二薄膜和支撑板；
[0011] 所述第二薄膜铺设在所述支撑板上，所述支撑板设置在所述支座上，所述第二薄膜远离所述支撑板的一侧用于与所述薄膜压力传感器的另一侧表面接触。
[0012] 优选地，所述导力板的厚度大于所述支撑板的厚度。
[0013] 优选地，所述支座的支撑面的外边缘围绕所述薄膜压力传感器在所述支座上的最大投影区域。
[0014] 优选地，所述柔性件为聚氨酯海绵。
[0015] 优选地，所述保护膜为橡胶膜，膜厚为2mm～3mm。
[0016] 优选地，所述第一薄膜和所述第二薄膜分别选用聚四氟乙烯薄膜和聚酯薄膜中的一种。
[0017] 本申请提供了一种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器、力传导组件，以及用于放置薄膜压力传感器的支座；力传导组件包括顺次叠置的第一薄膜、保护膜和导力板，导力板用于承受作动器施加的力，第一薄膜用于与薄膜压力传感器的一侧表面接触。本申请通过作动器施加的力模拟实际碎石道床-土质路基界面对薄膜压力传感器产生的接触应力，进而提供标定过程中所需要对薄膜压力传感器施加的力，力传导组件将作动器施加的力传递给薄膜压力传感器，第一薄膜与薄膜压力传感器的一侧表面接触，有效消除了薄膜压力传感器上各压力敏感单元所受的摩擦力，从而避免该摩擦力对所测应力的不利影响，进而提高标定的准确性；由于薄膜压力传感器超薄，具有较多棱角的碎石道砟可能会刺破该传感器，因此需要对其接触道砟的一面进行保护，进而加入保护膜保护薄膜压力传感器；在标定过程中布置第一薄膜和保护膜是为了保证与实际量测碎石道床-土质路基界面接触应力的试验工况保持一致；薄膜压力传感器放置在支座上，进而实现受力均匀；本申请提供的标定装置模拟了实际量测碎石道床-土质路基界面接触应力，能够对薄膜压力传感器进行精确标定，功能完善、制作简捷和可操作性强。
附图说明
[0019] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0020] 图1示出了本申请实施例所提供的第一种薄膜压力传感器标定装置的结构示意图；
[0021] 图2示出了本申请实施例所提供的第二种薄膜压力传感器标定装置的结构示意图；
[0022] 图3示出了本申请实施例所提供的第三种薄膜压力传感器标定装置的结构示意图；
[0023] 图4示出了本申请实施例所提供的第四种薄膜压力传感器标定装置的结构示意图；
[0024] 图5示出了本申请实施例所提供的第五种薄膜压力传感器标定装置的结构示意图；
[0025] 图6示出了本申请实施例所提供的第六种薄膜压力传感器标定装置的结构示意图；
[0026] 图7示出了本申请实施例所提供的第六种薄膜压力传感器标定装置在标定过程中的加载曲线图；
[0027] 图8示出了本申请实施例所提供的第六种薄膜压力传感器标定装置在标定过程中的传感器输出DO值的响应图；
[0028] 图9示出了本申请实施例所提供的第六种薄膜压力传感器标定装置的标定结果曲线图。
[0029] 附图标记：1-作动器；2-力传导组件；21-第一薄膜；22-保护膜；23- 导力板；3-薄膜压力传感器；4-支座；41-支撑面；51-柔性件；52、61-第二薄膜；53、62-支撑板；6-承载组件。
具体实施方式
[0030] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0031] 在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0032] 此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0033] 在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0034] 实施例一：
[0035] 如图1所示，本申请实施例提供了第一种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、力传导组件2，以及用于放置薄膜压力传感器3的支座4；
[0036] 力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3的一侧表面接触。
[0037] 薄膜压力传感器3超薄，其厚度仅为0.1mm，且柔性很好，该传感器测点众多，由多个压力敏感单元组成矩阵形式，能测出各细小区域上的压 (应)力分布。
[0038] 本申请实施例中的作动器1提供标定过程中所需要对薄膜压力传感器3 施加的力，进而模拟实际碎石道床-土质路基界面对薄膜压力传感器3产生的接触应力；其中，作动器1选用液压伺服作动器，在试验中使用液压伺服作动器，可以避免试验件损坏和人员受伤。
[0039] 力传导组件2将作动器1施加的力传递给薄膜压力传感器3；力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23；第一薄膜21与薄膜压力传感器3的一侧表面接触，有效消除了薄膜压力传感器3上各压力敏感单元所受的摩擦力，从而避免该摩擦力对所测应力的不利影响，进而提高标定的准确性。
[0040] 由于薄膜压力传感器3超薄，具有较多棱角的碎石道砟可能会刺破该传感器，因此需要对其接触道砟的一面进行保护，进而加入保护膜22保护薄膜压力传感器3，能防止碎石道砟颗粒刺破而导致传感器失灵；在标定过程中布置保护膜22是为了保证与实际量测碎石道床-土质路基界面接触应力的试验工况保持一致；优选地，保护膜22为橡胶膜，膜厚为2mm～3mm，由于橡胶膜保护传感器的方式对试验结果影响很小，能够提高道床-路基界面接触应力测试精度，进而得到更加准确的标定结果；根据大量的试验可得出，最佳保护膜22的厚度为2.5mm，邵氏硬度等于A55。
[0041] 导力板23直接与作动器1接触，进而承受作动器1施加的力，导力板 23表面平整光滑以确保薄膜压力传感器3受力均匀。
[0042] 支座4主要用于放置薄膜压力传感器3，将用于放置薄膜压力传感器3 的支座4的平面定义为支撑面41，且支撑面41光滑平整，支座4的支撑面 41的外边缘围绕薄膜压力传感器3在支座4上的最大投影区域，从而确保薄膜压力传感器3受力均匀；该支座4为刚性支座，进而支撑面41为平滑的刚性面，对支座4的形状不做特殊限定，方形、圆形、椭圆形，甚至不规则图形均可，在此不再详细赘述。
[0043] 本申请提供的标定装置模拟了实际量测碎石道床-土质路基界面接触应力，能够对薄膜压力传感器3进行精确标定，其中，标定装置功能完善、制作简捷和可操作性强。利用液压伺服作动器加载能实现薄膜压力传感器3 较大应力量程的标定，可以相应用于试验中较大应力的量测；同时由于薄膜压力传感器3的专用软件自身参数的设置特性，也可以测量较小的应力，有效弥补了传统土压力盒测试方法中量程和精度不能同时满足的缺陷。
[0044] 实施例二：
[0045] 如图2所示，本申请实施例提供了第二种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、力传导组件2、柔性件51，以及用于放置薄膜压力传感器3 的支座4；
[0046] 力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3的一侧表面接触，柔性件51设置在保护膜22与导力板23之间。
[0047] 柔性件51作为传递力的柔软介质，能保证加载过程中的薄膜压力传感器3上各压力敏感单元受力均匀，进而提高标定的准确度；优选地，柔性件51为聚氨酯海绵，在相同硬度下，聚氨酯海绵比其它的弹性体承载能力高、抗冲击性高和回弹范围广，应用在本试验中，可以取得较好的技术效果。
[0048] 除此之外，本申请实施例与实施例一中相同的技术特征，同样具有实施例一中所陈述的技术效果，在此不再赘述。
[0049] 实施例三：
[0050] 如图3所示，本申请实施例提供了第三种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、力传导组件2、第二薄膜52，以及用于放置薄膜压力传感器 3的支座4；
[0051] 力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3的一侧表面接触；在支座4上铺设第二薄膜52，第二薄膜52用于与薄膜压力传感器3的另一侧表面接触。
[0052] 需要说明的是，第一薄膜21和第二薄膜52所起的作用是一样的，将第一薄膜21和第二薄膜52分别布置在薄膜压力传感器3的上下两面，所能实现的效果是最好的；可以有效消除薄膜压力传感器3上各压力敏感单元所受的摩擦力，从而避免该摩擦力对所测应力的不利影响。
[0053] 优选地，第一薄膜21和第二薄膜52分别选用聚四氟乙烯薄膜和聚酯薄膜中的一种，此处包含四种情况：第一薄膜21和第二薄膜52均选用聚四氟乙烯薄膜；第一薄膜21和第二薄膜52均选用聚酯薄膜；第一薄膜21 选用聚四氟乙烯薄膜，第二薄膜52选用聚酯薄膜；第一薄膜21选用聚酯薄膜，第二薄膜52选用聚四氟乙烯薄膜。
[0054] 聚四氟乙烯薄膜的摩擦系数极低，可做润滑作用，进而消除摩擦效应；由于聚酯薄膜的价格低廉，与薄膜压力传感器3的材质和厚度均相同，因而可以作为聚四氟乙烯薄膜的替代膜；本申请实施例不限定第一薄膜21和第二薄膜52的材料选择。
[0055] 除此之外，本申请实施例与实施例一中相同的技术特征，同样具有实施例一中所陈述的技术效果，在此不再赘述。
[0056] 实施例四：
[0057] 如图4所示，本申请实施例提供了第四种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、力传导组件2、支撑板53，以及用于放置薄膜压力传感器3 的支座4；
[0058] 力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3的一侧表面接触；支撑板53设置在支座4上，用于承载薄膜压力传感器3。
[0059] 需要说明的是，导力板23和支撑板53的尺寸相同，但导力板23的厚度要大于支撑板53的厚度，由于导力板23承受作动器1施加的力，且放置在柔性件51上，厚度不足易导致薄膜压力传感器3的受力不均匀，进而为了均匀扩散作动器1对薄膜压力传感器3施加的载荷，将导力板23的厚度设置厚一些，根据实际的试验情况，导力板23的厚度选择3cm；而放置在支座4上的支撑板53是为了使薄膜压力传感器3放置的平面更加平整，由于支座4的上表面有些粗糙，而钢板的表面相对平整，将支撑板53设置在支座4上，可以使支撑薄膜压力传感器3的平面更加平整，进而对厚度的要求不高，根据实际的试验情况，支撑板53的厚度选择1cm。
[0060] 除此之外，本申请实施例与实施例一中相同的技术特征，同样具有实施例一中所陈述的技术效果，在此不再赘述。
[0061] 实施例五：
[0062] 如图5所示，本申请实施例提供了第五种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、力传导组件2、承载组件6，以及用于放置薄膜压力传感器 3的支座4；
[0063] 力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3的一侧表面接触；承载组件6包括第二薄膜61和支撑板62，第二薄膜 61铺设在支撑板62上，支撑板62设置在支座4上，第二薄膜61远离支撑板62的一侧用于与薄膜压力传感器3的另一侧表面接触。
[0064] 本申请实施例包含实施例一、实施例三和实施例四中全部的技术特征，同样也具有实施例一、实施例三和实施例四中所陈述的技术效果，在此不再赘述。
[0065] 实施例六：
[0066] 如图6～图9所示，本申请实施例提供了第六种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、柔性件51、力传导组件2、承载组件6，以及用于放置薄膜压力传感器3的支座4；
[0067] 力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3的一侧表面接触；柔性件51设置在保护膜22与导力板23之间；承载组件6包括第二薄膜61和支撑板62，第二薄膜61铺设在支撑板62上，支撑板62设置在支座4上，第二薄膜61远离支撑板62的一侧用于与薄膜压力传感器3的另一侧表面接触。
[0068] 优选地，导力板23的厚度大于支撑板62的厚度；支座4的支撑面41 的外边缘围绕薄膜压力传感器3在支座4上的最大投影区域；柔性件51为聚氨酯海绵；保护膜22为橡胶膜，膜厚为2.5mm，邵氏硬度等于A55；第一薄膜21和第二薄膜61分别选用聚四氟乙烯薄膜。
[0069] 薄膜压力传感器标定装置的标定方法如下：
[0070] (1)利用作动器1施加正弦荷载，荷载频率与实际工程或试验中所施加的荷载频率保持一致，荷载大小通过试加载并观察薄膜压力传感器3的压力敏感单元输出的DO值，控制在255的1/3～2/3范围内，记录正弦荷载随时间的变化曲线；
[0071] (2)利用薄膜压力传感器3的配套软件监测、记录压力敏感单元的响应过程，得到压力敏感单元输出的DO值随时间的变化曲线；
[0072] (3)建立压(应)力值和DO值之间的幂函数方程(y＝axb，式中： y-工程上的压(应)力值，x-DO值，a和b为标定常数)，利用施加的动荷载和DO值之间的对应关系，均取其中波峰和波谷处的数据，得到两个标定点(x1，y1)和(x2，y2)并带入，即可确定薄膜压力传感器3的标定曲线。
[0073] 本申请实施例包含实施例一、实施例二、实施例三和实施例四中全部的技术特征，同样也具有实施例一、实施例二、实施例三和实施例四中所陈述的技术效果，在此不再赘述。
[0074] 下面通过具体实施例对本申请进行详细介绍：
[0075] 本申请实施例采用的薄膜压力传感器3型号为Tekscan5250，其厚度为 0.1mm，由1936个压力敏感单元组成44×44矩阵形式(24.59cm×24.59cm)。
[0076] 将边长24.59cm×24.59cm、厚度1cm的支撑板62放置于支座4上，再从下而上分别布置第二薄膜61、薄膜压力传感器3、第一薄膜21、保护膜22、柔性件51和导力板23，它们的平面尺寸均与薄膜压力传感器3的压力敏感单元平面尺寸一致，均为24.59cm×24.59cm；第一薄膜21和第二薄膜61的厚度均为0.1mm；保护膜22的厚度为2.5mm，邵氏硬度值为A55；柔性件51为聚氨酯海绵，厚度为5cm；导力板23的厚度为3cm，将其放置在聚氨酯海绵上方，最后利用液压伺服作动器对厚度为3cm的导力板23 的上方正中心位置施加荷载，如图6所示。
[0077] 进而根据实验情况具体介绍薄膜压力传感器标定装置的标定方法：
[0078] 液压伺服作动器施加正弦荷载，薄膜压力传感器3的专用软件内部灵敏度参数设置为默认灵敏度(其值为64)时为例。利用液压伺服作动器对薄膜压力传感器3施加大小为40kpa～120kpa、频率为1Hz的正弦荷载，如图2所示。利用薄膜压力传感器3的专用软件监测压力敏感单元的响应过程，由此可以得到压力敏感单元输出DO值随时间的变化曲线，如图3所示。
[0079] 采用非线性标定，即两点标定；根据图2和图3，均取波峰和波谷处的数据，即可得到两个标定点(93，40kpa)和(175，120kpa)。但薄膜压力传感器3的专用软件默认的压力单位为psi，因此需要将kPa转化成psi，则两个标定点即为(93，5.802psi)和(175，17.406psi)，将两个标定点带入方程： y＝axb中，可以求得a＝0.0022，b＝1.7378；据此可以得到标定曲线的幂函数方程为：y＝0.0022x1.7378。该标定曲线如图4所示，为便于直观，图中压力单位仍按kPa显示。
[0080] 需要说明的是，本申请实施例提供的薄膜压力传感器标定装置及标定方法，也可推广应用于其它相似原理的传感器的标定，在此不再赘述。
[0081] 相对于现有技术，本申请具有以下优势：
[0082] 本申请提供了一种薄膜压力传感器标定装置，包括作动器1、力传导组件2、柔性件51、承载组件6，以及用于放置薄膜压力传感器3的支座4；力传导组件2包括顺次叠置的第一薄膜21、保护膜22和导力板23，导力板23用于承受作动器1施加的力，第一薄膜21用于与薄膜压力传感器3 的一侧表面接触；柔性件51设置在保护膜22与导力板23之间；承载组件6包括第二薄膜61和支撑板62，第二薄膜61铺设在支撑板62上，支撑板 62设置在支座4上，第二薄膜61远离支撑板62的一侧用于与薄膜压力传感器3的另一侧表面接触。
[0083] 本申请提供的标定装置模拟了实际量测碎石道床-土质路基界面接触应力，能够对薄膜压力传感器3进行精确标定，功能完善，制作简捷，可操作性强，有效弥补了传统土压力盒测试方法中量程和精度不能同时满足的缺陷，能应用于铁路有砟轨道结构中碎石道床-土质路基界面接触应力测量。
[0084] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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