[发明专利]一种基于声压加载的薄膜传感器阵列标定装置及标定方法

说明书

本发明提供了一种基于声压加载的薄膜传感器阵列标定装置及标定方法，标定装置包括声源模块、固定模块、控制模块以及数据采集模块，标定方法中包括声压矫正实验和标定实验两个部分。本发明提供的一种基于声压加载的薄膜传感器阵列标定装置及标定方法，与现有技术相比，运用声压来对薄膜传感器阵列实施标定，保证了薄膜传感器阵列上测点受到的负载的均匀性，而且声源模块可以保证对薄膜传感器阵列在任意声压、任意频率情况下进行标定；同时，本发明适用于单测点和多测点的标定，低频压力脉动和高频压力脉动的标定，任意形状薄膜传感器阵列的标定，操作简单，标定方便，通用性强，且标定环境更加符合真实工作环境。

技术领域

本发明涉及传感器标定装置的设计技术领域，尤其涉及一种基于声压加载的薄膜传感器阵列标定装置及标定方法。

背景技术

随着传感器技术的飞速发展以及各种新型材料的应用，一大批新型传感器开始涌现并凭借其优异的性能开始逐步取代一些旧式传感器，其中就包括薄膜传感器。薄膜传感器具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状的面积不等的片或管状等优势，在力学、声学、光学、电子、医疗等技术领域应用十分广泛。

传感器的标定，就是利用一种标准设备，产生已知的非电量(如标准力、位移等)作为输入量输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量，然后将传感器的输入量与输出量建立关系。工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行，以获得较高的精度。压电传感器和压力传感器的标定通常采用冲击响应法。冲击响应法具有所需设备少、操作简便、调整控制方便的特点，如通常用于压电薄膜传感器标定的分离式霍普金森压杆装置就是利用子弹撞击入射杆产生的一维应力波作为标准力加载到压电薄膜传感器上的。用冲击信号作为传感器输入时，传感器系统传递函数为其输出信号的拉氏变换，由此可确定传感器的传递函数。但是工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行，然而冲击响应法不能有效模拟传感器在一个持续脉动压力情况下的实际使用情况，标定结果并不能真实反映传感器的动态特性，与实际使用情况存在一定的差距。

由于薄膜传感器是柔性的，因此在相同负荷下，即使是压力分布的改变也会改变此类传感器的输出。故而，对于薄膜传感器进行灵敏度标定的标定装置，应确保在其有效区域的负载均匀分布，以保证获取准确和重复性好的测力数据。目前成品薄膜传感器的标定尚无行之有效的方法，分离式霍普金森压杆装置测试的是压电薄膜传感器在脉冲响应下的灵敏度值，更多时候厂家是直接根据压电材料的d33参数给出理论灵敏度值，而实际测试发现，压电材料的理论灵敏度值与传感器实际灵敏度值有一定的差距。

经过对现有技术的检索发现，专利号为CN102175390A的中国专利，公开了一种压电传感器的标定装置和标定方法，该系统包括气缸、传感器、电荷放大器、示波器、控制阀、压力表、气压机和信号发生器，气缸为密闭容器，其内充有一定量的水，且水中放置有压电传感器，并使水位高于该压电传感器的顶面高度，所述气缸上还设有两个孔洞；所述待标定压电传感器的导电线经由气缸上一个孔洞连接电荷放大器，而电荷放大器的输出端连接示波器；所述气缸上的另一个孔洞通过导气管连接控制阀，控制阀的另一端分别连接压力表和信号发生器，所述压力表的另一端连接气压机。该技术与本发明相比，其无法解决的技术问题进一步包括：1、其用压力表的显示压力作为标准压力，无法说明这个压力就是压电传感器受到的水压力；3、其测试的频率范围有限，无法实现高频压力脉动下的标定；4、其测试方案的不便，传感器需要固定在水下，对传感器的防水特性有要求，信号引出经过气缸，对气缸密闭性要求高。

专利号为CN202057451U的中国专利，公开了一种薄膜测力传感器高速动态标定装置，它包括一上支撑板、一底座、一水平调整平台、一用于放置薄膜测力传感器的力传感器、一导向衬套和一冲击圆柱，它采用冲击的方式，即通过冲击圆柱碰撞薄膜测力传感器表面的有效感应区域来进行标定。该技术与本发明相比，其无法解决的技术问题进一步包括：1、其标定的是冲击响应下的灵敏度，而不是脉动压力下的灵敏度值；2、其标定是单个薄膜传感器的灵敏度，而不是由多个测点组成的薄膜传感器阵列。

发明内容