一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺及其標定方法與流程

本發明涉及傳感器輔助教學設備領域，尤其涉及一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺及其標定方法。

背景技術：

目前，現有技術中的傳感器輔助教學設備通常只是把某一種傳感器安裝在固定在展示板上,通過面板上數碼管顯示當前傳感器測量值，傳感器工作原理以及如何實現測量只能通過課堂教學和圖片相結合,讓學生熟悉了解工作原理,教學效果欠佳，且固定展示板整體結構比較占用空間,而且需要定期對暴露在外部的各個零部件進行清潔,維護工作麻煩，更為關鍵是傳感器在使用一段時間后其靜態特性會發生變化，針對實際使用需要重新對傳感器進行標定才能達到良好控制效果，而加入傳感器標定的教學臺架目前基本沒有，造成學生理解傳感器的知識不夠深入。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺及其標定方法。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺，包含殼體、氣壓表、壓氣泵、氣體導管、調壓旋鈕、控制器、rs232接口和上位機；

所述壓氣泵、氣體導管、控制器設置在所述殼體內，所述氣壓表、調壓旋鈕、rs232接口設置在所述殼體上；

所述氣體導管一端和所述壓氣泵出氣口固定相連，另一端設有控制氣體導管通斷的電磁閥；

所述氣體導管上設有用于測量氣體導管內氣壓的壓力傳感器；

所述氣壓表的測壓口和所述氣體導管固定相連，用于測量氣體導管中的氣壓；

所述調壓旋鈕用于控制所述壓氣泵工作、調節所述壓氣泵的輸出壓力；

所述控制器和所述壓力傳感器電氣相連，并通過所述rs232接口和所述上位機相連，用于接收壓力傳感器反饋的ad值并將其傳遞給所述上位機；

所述上位機用于輸入需要標定的氣壓值并結合輸入氣壓值對應的壓力傳感器的ad值來對壓力傳感器進行標定。

作為本發明一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺進一步的優化方案，所述殼體采用透明塑料制成。

作為本發明一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺進一步的優化方案，所述控制器采用飛思卡爾mc9s08dz60單片機。

作為本發明一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺進一步的優化方案，所述上位機采用pc機。

本發明還公開了一種基于該氣體壓力傳感器標定教學實驗臺的標定方法，包含以下步驟：

步驟1)，控制電磁閥打開，將調壓旋鈕旋到壓力值為0的位置，然后控制電磁閥封閉氣體導管；

步驟2)，將預設的第一壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟3)，進行標定，標定方法如下：

步驟3.1)，順時針旋轉調壓旋鈕并讀取氣壓表的壓力值，使得氣壓表的壓力值和需要標定的氣體壓力值相同；

步驟3.2)，控制上位機使其通過控制器獲得壓力傳感器反饋的ad值，并將該ad值轉換為壓力傳感器的電壓值；

步驟3.3)，將需要標定的氣體壓力值、以及壓力傳感器的電壓值作為一組標定數據記錄至上位機中；

步驟4)，對當前氣壓表的壓力值進行增加5kpa的操作后，將其作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟5)，進行標定；

步驟6)，重復執行步驟4)至步驟5)，直至氣壓表的壓力值等于預設的第二壓力閾值；

步驟7)，將預設的第二壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟8)，進行標定；

步驟9)，控制電磁閥打開，將氣體導管中的高壓氣體排出后，控制電磁閥封閉氣體導管；

步驟10)，將預設的第二壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟11)，進行標定；

步驟12)，對當前氣壓表的壓力值進行減少5kpa的操作后，將其作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟13)，進行標定；

步驟14)，重復執行步驟12)至步驟13)，直至氣壓表的壓力值等于預設的第一壓力閾值；

步驟15)，將預設的第一壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟16)，進行標定；

步驟17)，控制電磁閥打開，將氣體導管中的高壓氣體排出；

步驟18)，對于所有標定數據，對其中相同的氣體壓力值對應的壓力傳感器的電壓值進行取平均操作后，繪制壓力-電壓值的曲線圖。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

能夠觀察系統的硬件結構和通過實際操作加深對傳感器標定的理解，便于維修，結構簡單。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明中壓氣泵、氣體導管、壓力傳感器、電磁閥相配合的結構示意圖；

圖3是本發明中上位機的監控界面的示意圖；

圖4是本發明中一個具體實施例實驗時實際記錄的標定數據；

圖5是本發明中一個具體實施例中傳感器實際工作曲線和理論擬合曲線對比圖。

圖中，1-殼體，2-氣壓表，3-壓氣泵，4-壓氣泵進氣口，5-壓氣泵出氣口，6-氣體導管，7-壓力傳感器，8-電磁閥，9-調壓旋鈕，10-pc機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1和圖2所示，本發明公開了一種氣體壓力傳感器標定教學實驗臺，包含殼體、氣壓表、壓氣泵、氣體導管、調壓旋鈕、控制器、rs232接口和上位機；

所述壓氣泵、氣體導管、控制器設置在所述殼體內，所述氣壓表、調壓旋鈕、rs232接口設置在所述殼體上；

所述氣體導管一端和所述壓氣泵出氣口固定相連，另一端設有控制氣體導管通斷的電磁閥；

所述氣體導管上設有用于測量氣體導管內氣壓的壓力傳感器；

所述氣壓表的測壓口和所述氣體導管固定相連，用于測量氣體導管中的氣壓；

所述調壓旋鈕用于控制所述壓氣泵工作、調節所述壓氣泵的輸出壓力；

所述控制器和所述壓力傳感器電氣相連，并通過所述rs232接口和所述上位機相連，用于接收壓力傳感器反饋的ad值并將其傳遞給所述上位機；

所述上位機用于輸入需要標定的氣壓值并結合輸入氣壓值對應的壓力傳感器的ad值來對壓力傳感器進行標定。

所述殼體采用透明塑料制成。

所述控制器采用飛思卡爾mc9s08dz60單片機。

所述上位機采用pc機。

mc9s08dz60單片機通過rs232通訊接口與pc機的usb接口電氣連接，完成單片機和上位機的通信。

本發明還公開了一種基于該氣體壓力傳感器標定教學實驗臺的標定方法，包含以下步驟：

步驟1)，控制電磁閥打開，將調壓旋鈕旋到壓力值為0的位置，然后控制電磁閥封閉氣體導管；

步驟2)，將預設的第一壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟3)，進行標定，標定方法如下：

步驟3.1)，順時針旋轉調壓旋鈕并讀取氣壓表的壓力值，使得氣壓表的壓力值和需要標定的氣體壓力值相同；

步驟3.2)，控制上位機使其通過控制器獲得壓力傳感器反饋的ad值，并將該ad值轉換為壓力傳感器的電壓值；

步驟3.3)，將需要標定的氣體壓力值、以及壓力傳感器的電壓值作為一組標定數據記錄至上位機中；

步驟4)，對當前氣壓表的壓力值進行增加5kpa的操作后，將其作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟5)，進行標定；

步驟6)，重復執行步驟4)至步驟5)，直至氣壓表的壓力值等于預設的第二壓力閾值；

步驟7)，將預設的第二壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟8)，進行標定；

步驟9)，控制電磁閥打開，將氣體導管中的高壓氣體排出后，控制電磁閥封閉氣體導管；

步驟10)，將預設的第二壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟11)，進行標定；

步驟12)，對當前氣壓表的壓力值進行減少5kpa的操作后，將其作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟13)，進行標定；

步驟14)，重復執行步驟12)至步驟13)，直至氣壓表的壓力值等于預設的第一壓力閾值；

步驟15)，將預設的第一壓力閾值作為需要標定的氣體壓力值寫入上位機中；

步驟16)，進行標定；

步驟17)，控制電磁閥打開，將氣體導管中的高壓氣體排出；

步驟18)，對于所有標定數據，對其中相同的氣體壓力值對應的壓力傳感器的電壓值進行取平均操作后，繪制壓力-電壓值的曲線圖。

在圖3所示實施例中，上位機界面正下方包括程序停止按鈕和串口打開按鈕，實驗開始首先打開串口保證實時監控，界面左側包括實驗名稱，端口號，讀取緩沖區，ad值，參考壓力，儀表壓力，標定，繪制曲線這九個選項框，點擊標定按鈕記錄每次間隔5kpa的數據，當實驗做完，點擊繪制曲線按鈕繪制壓力-電壓值的曲線圖。

在圖4和圖5所示，圖4為一組實驗時實際記錄的數據，圖5曲線為一個實施例的傳感器實際工作曲線和理論擬合曲線對比圖。具體實現如下：傳感器特性曲線擬合方法采用最小二乘法，令傳感器特性方程為線性方程：y＝b+kx。其中x為對應各校準值的輸出值(即壓力表壓力值)，y為校準工程值(即電壓值)，k為線性方程斜率，b為線性方程截距。由最小二乘法可得k、b的計算式分別為：

其中，n為總校準點數，i＝1，2.....,n。

利用非線性度來表征傳感器靜態特性。其反映傳感器實際工作曲線與理論擬合直線的不一致性,定義為傳感器的由實驗確定的實際工作曲線對理論擬合直線的最大偏差與輸出滿量程的百分比，即

由圖5可知，實際工作曲線為帶方框的粗實線，理論擬合曲線為細實線，理論擬合曲線方程為y＝1.0426x，實際工作曲線在5kpa時偏離理論擬合曲線間距最大，取此點值計算非線性度：

到此完成傳感器標定實驗，找出傳感器靜態特性中輸入和輸出的函數關系，在本實施例中非線性度為4.2％表明該傳感器在精度要求不高時仍可以使用。

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。