CN110174213B - 柔性压力传感阵列的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力传感技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感阵列的校准方法。所述柔性压力传感阵列的校准方法包括如下步骤：依次施加多个不同大小的压力于整个所述柔性压力传感阵列，获取每一所述像素点在每一所述压力下的响应特征值；获得每一所述像素点的基础校准公式；提供补偿校准函数：获得每一所述像素点的补偿校准公式；计算每一所述像素点的基础校准公式与补偿校准公式的乘积，以所述乘积作为该像素点的校准公式。本发明提高了单个像素点的校准精度，确保了所述柔性压力传感阵列测量结果的准确度，改善所述柔性压力传感阵列的性能。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感阵列的校准方法。
背景技术
柔性压力传感阵列能够检测压力的位置分布状况以及各区域的压力大小，能够应用于可穿戴电子设备、环境监测、人机交互接口、电子皮肤等领域，具有广泛的应用前景。
然而，由于柔性压力传感阵列自身存在蠕变性、不一致性、衰减性等缺陷，导致其在使用过程中的检测准确性不能够长期保持。但是，检测准确性则是衡量柔性压力传感阵列性能的一个关键因素，因此，当前主要采用对柔性压力传感阵列定期校准来确保其测量准确度。
传统的校准方式是依据柔性压力传感阵列的整个传感区域在多次施压后的响应特性来拟合阵列中每个传感器的特征曲线。然而，在实际使用过程中，往往是柔性压力传感阵列中的部分区域受力，而并非整个传感区域受力。受力面积的改变，会引起传感器力学和电学方面串扰特性的改变，导致校准时的条件与实际使用过程中的存在不同，进而导致最终的测量结果出现偏差。
因此，如何改善柔性压力传感阵列的校准方法，提高校准精度，以确保柔性压力传感阵列测量结果的准确度，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种柔性压力传感阵列的校准方法，用于解决现有的校准方法校准精度较低的问题，以确保柔性压力传感阵列测量结果的准确度，改善柔性压力传感阵列的性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种柔性压力传感阵列的校准方法，所述柔性压力传感阵列包括呈阵列排布的多个传感器，每一所述传感器作为一像素点，包括如下步骤：
依次施加多个不同大小的压力于整个所述柔性压力传感阵列，获取每一所述像素点在每一所述压力下的响应特征值；
根据每一所述像素点在多个所述压力下的多个所述响应特征值拟合该像素点的响应特征曲线，获得每一所述像素点的基础校准公式；
提供一如下所示的补偿校准函数：
式中，Y1表示所述补偿校准函数的函数值，ai、b均为函数系数，X0表示一像素点的响应特征值，Xi表示在相同的所述压力下、与X0对应的像素点相邻的像素点的响应特征值；
将一所述像素点的所述响应特征值、以及与该像素点相邻的像素点的响应特征值代入至所述补偿校准函数中，并令所述补偿校准函数的值Y1为1，获得每一所述像素点的补偿校准公式；
计算每一所述像素点的基础校准公式与补偿校准公式的乘积，以所述乘积作为该像素点的校准公式。
优选的，所述响应特征值类型为电容型、电流型、电阻型或者电压型。
优选的，依次施加多个压力于整个所述柔性压力传感阵列的具体步骤包括：
将所述柔性压力传感阵列置于一刚性水平台表面；
提供一刚性压力板，所述刚性压力板的面积大于或等于所述柔性压力传感阵列的面积；
通过所述刚性压力板向整个所述柔性压力传感阵列施加所述压力。
优选的，通过所述刚性压力板向整个所述柔性压力传感阵列施加所述压力的具体步骤包括：
所述刚性压力板向整个所述柔性压力传感阵列施加同一所述压力多次，针对每一所述像素点，以多次相同压力下的响应特征值的平均值作为所述像素点在该压力下的响应特征值。
优选的，多个不同大小的压力的个数为5个以上。
优选的，获得每一所述像素点的基础校准公式的具体步骤包括：
采用多种不同的数据拟合方式对每一所述像素点进行所述响应特征曲线拟合，得到针对每一所述像素点的多条拟合曲线；
选择决定系数最大的拟合曲线作为该像素点的基础校准公式。
优选的，多种不同的数据拟合方式包括线性拟合和曲线拟合；所述曲线拟合包括指数函数拟合、多项式函数拟合、对数函数拟合、幂指数函数拟合、三角函数拟合和反三角函数拟合。
优选的，所述数据拟合的算法为最小二乘法或者最大似然估计法。
优选的，多个不同的所述压力中的最大压力为所述柔性压力传感阵列所能检测到的最大压力；多个不同的所述压力中的最小压力为所述柔性压力传感阵列所能检测到的最小压力。
优选的，所述柔性压力传感阵列为薄膜型压力传感阵列或纤维编织型压力传感阵列。
本发明提供的柔性压力传感阵列的校准方法，针对每一像素点的校准，在基础校准公式的基础之上，综合考虑与每一像素点相邻的其他像素点对该像素点的影响，采用补偿校准公式与基础校准公式的乘积作为一像素点的最终的校准公式，避免了现有技术中校准时为柔性压力传感阵列的整个传感区域受力和实际检测时传感区域的局部受力不同所带来的串扰误差，提高了单个像素点的校准精度，确保了所述柔性压力传感阵列测量结果的准确度，改善所述柔性压力传感阵列的性能。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中柔性压力传感阵列的校准方法流程图；
附图2是本发明具体实施方式中对一柔性压力传感阵列进行校准时的结构示意图；
附图3是本发明具体实施方式在拟合一像素点的基础校准公式时的拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的柔性压力传感阵列的校准方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种柔性压力传感阵列的校准方法，附图1是本发明具体实施方式中柔性压力传感阵列的校准方法流程图，附图2是本发明具体实施方式中对一柔性压力传感阵列进行校准时的结构示意图。如图1、图2所示，所述柔性压力传感阵列21包括呈阵列排布的多个传感器，每一所述传感器作为一像素点22。本具体实施方式提供的柔性压力传感阵列的校准方法，包括如下步骤：
步骤S11，依次施加多个不同大小的压力于整个所述柔性压力传感阵列21，获取每一所述像素点22在每一所述压力下的响应特征值。
本具体实施方式中所述的“多个”是指两个以上。
优选的，依次施加多个压力于整个所述柔性压力传感阵列21的具体步骤包括：
将所述柔性压力传感阵列21置于一刚性水平台20表面；
提供一刚性压力板23，所述刚性压力板23的面积大于或等于所述柔性压力传感阵列21的面积；
通过所述刚性压力板23向整个所述柔性压力传感阵列21施加所述压力。
图2中的虚线表示该角度下不可见的像素点。本具体实施方式对所述柔性压力传感阵列21的具体类型并不作限定，例如，所述柔性压力传感阵列21为薄膜型压力传感阵列或纤维编织型压力传感阵列。所述柔性压力传感阵列21中所述传感器的类型可以为电容型、电阻型、压电型、摩擦电型或者薄膜晶体管型。相应的，响应特征值类型为电容型、电流型、电阻型或者电压型。所述柔性压力传感阵列21具有传感区域，所有的所述像素点22呈阵列排布于所述传感区域。
为了确保施加于所述柔性压力传感阵列21中每一所述像素点上的压力值相同，进一步确保校准精度，本具体实施方式在校准过程中将所述柔性压力传感阵列21置于一如图2所示的刚性水平台20表面。所述刚性水平台20上还设置有高度调节器25和压力示数计24，所述压力示数计24沿垂直于所述刚性水平台20的方向设置于所述柔性压力传感阵列21的上方，用于调整并显示所述刚性压力板23向整个所述柔性压力传感阵列21施加的压力的数值。所述刚性压力板23固定连接于所述压力示数计24下方。所述高度调节器25连接所述压力示数计24，用于驱动所述压力示数计24沿竖直方向(即垂直于所述刚性水平台20的方向)升降运动，以调节所述刚性压力板23的高度。所述高度调节器25的具体结构，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，只要能够实现对所述刚性压力板23的高度调节即可。为了简化校准装置的结构，优选的，所述高度调节器25包括一升降柱以及一连接杆，所述连接杆的一端连接所述升降柱、另一端连接所述压力示数计24。通过所述升降柱沿竖直方向的升降运动，带动所述刚性压力板23沿竖直方向的升降运动，从而调整所述刚性压力板23与所述柔性压力传感阵列21之间的距离。
优选的，通过所述刚性压力板23向整个所述柔性压力传感阵列21施加所述压力的具体步骤包括：
所述刚性压力板23向整个所述柔性压力传感阵列21施加同一所述压力多次，针对每一所述像素点22，以多次相同压力下的响应特征值的平均值作为所述像素点22在该压力下的响应特征值。
施加于整个所述柔性压力传感阵列21不同压力的具体个数，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。为了进一步提高校准精度，优选的，多个不同大小的压力的个数为5个以上。
优选的，多个不同的所述压力中的最大压力为所述柔性压力传感阵列21所能检测到的最大压力；多个不同的所述压力中的最小压力为所述柔性压力传感阵列21所能检测到的最小压力。其他所述压力分布于所述最大压力与所述最小压力之间。
举例来说，提供P1、P2、P3、P4、P5这五个按从小到大顺序排列的五个压力值，其中P1是所述柔性压力传感阵列21所能检测到的最小压力，P5是所述柔性压力传感阵列所能检测到的最大压力。通过调节所述高度调节器25和所述压力示数计24向所述柔性压力传感阵列21的整个传感区域均有施加大小为P1的压力多次(即两次以上)。针对每一所述像素点22，在每次施加P1压力时，都会得到一个响应特征值。采用求平均值的方法，将一像素点多次得到的响应特征值的平均值作为该像素点在P1压力下的响应特征值。采用同样的方法，可以得到每一所述像素点在P2、P3、P4和P5压力下的响应特征值。本具体实施方式通过多次测量、求平均值的方法获取一像素点在一压力下的响应特征值，减小了测量误差，从而进一步提高了校准精度。
步骤S12，根据每一所述像素点22在多个所述压力下的多个所述响应特征值拟合该像素点的响应特征曲线，获得每一所述像素点的基础校准公式。
优选的，获得每一所述像素点的基础校准公式的具体步骤包括：
采用多种不同的数据拟合方式对每一所述像素点22进行所述响应特征曲线拟合，得到针对每一所述像素点22的多条拟合曲线；
选择决定系数最大的拟合曲线作为该像素点22的基础校准公式。
优选的，多种不同的数据拟合方式包括线性拟合和曲线拟合；所述曲线拟合包括指数函数拟合、多项式函数拟合、对数函数拟合、幂指数函数拟合、三角函数拟合和反三角函数拟合。
优选的，所述数据拟合的算法为最小二乘法或者最大似然估计法。
具体来说，针对每一所述像素点，可以采用多种不同的拟合曲线，利用最小二乘法或者最大似然估计法进行响应特征曲线拟合，从而得到多条拟合曲线；之后，通过对多条拟合曲线的决定系数进行比对，选择出最逼近该像素点各响应特征值的拟合曲线作为该像素点最终的拟合曲线，以该拟合曲线对应的函数公式作为该像素点的基础校准公式。
本具体实施方式中的数据拟合的过程是改变函数(即拟合曲线)中系数，使函数曲线尽量逼近该像素点所有的测试数据点(即与多个不同压力一一对应的多个响应特征值)，逼近的程度可以通过拟合后的决定系数判断(决定系数越高，逼近程度越高，拟合效果越好)，从中得到最佳的拟合函数(包括函数中具体的系数)。
步骤S13，提供一如下所示的补偿校准函数：
式中，Y1表示所述补偿校准函数的函数值，ai、b均为函数系数，X0表示一像素点的响应特征值，Xi表示在相同的所述压力下、与X0对应的像素点相邻的像素点的响应特征值。
步骤S14，将一所述像素点22的所述响应特征值、以及与该像素点22相邻的像素点22的响应特征值代入至所述补偿校准函数中，并令所述补偿校准函数的值Y1为1，获得每一所述像素点22的补偿校准公式。
具体来说，针对每一所述像素点22，令Y1＝1，即
将该像素点在一压力下测得的响应特征值、以及在相同压力下与该像素点相邻的周围像素点测得的响应特征值作为一组补偿校准数据，则总共得到多组补偿校准数据。将上述多组补偿校准数据依次代入上述补偿校准函数，经计算或者逼近得到所述补偿函数中的函数系数ai和b的值，即得到该像素点的补偿校准公式。
在本具体实施方式中，对于位于所述柔性传感阵列21中部的像素点，则与该像素点相邻的像素点包括位于该像素点上侧、下侧、左侧和右侧的四个像素点(即Xi表示在相同的所述压力下、位于与X0对应的像素点上侧、下侧、左侧和右侧的四个像素点的响应特征值)；对于位于所述柔性传感阵列21边界处的像素点，则与该像素点相邻的像素点包括位于该像素点上侧、下侧、左侧、右侧中两个或者三个位置的像素点(即Xi表示在相同的所述压力下、位于与X0对应的像素点上侧、下侧、左侧和右侧中的两个或者三个像素点的响应特征值)，例如对于位于所述柔性传感阵列21右下角处的像素点，则与其相邻的像素点包括位于其左侧和上侧的两个像素点。
步骤S15，计算每一所述像素点22的基础校准公式与补偿校准公式的乘积，以所述乘积作为该像素点的校准公式。
附图3是本发明具体实施方式在拟合一像素点的基础校准公式时的拟合曲线图。举例来说，所述压力的个数为5，则每一所述像素点通过测试得到5个响应特征值。所述响应特征值为电容差值，所述拟合曲线为指数函数Y0＝A*exp(-X/B)+C，其中，A、B、C为函数系数。其中，所述电容差值是指施加所述压力后，所述像素点检测到的电容值与该像素点的初始电容值之间的差值。在图3中的横坐标表示电容差值，测试点30表示在校准过程中一像素点在一压力下的响应特征值，曲线31表面采用上述指数函数进行拟合后得到的最优拟合曲线。经过拟合，所述指数函数中的函数系数A、B、C的值分别为：72.645、-248.3、-73.94。从而得到该像素点的基础校准公式为：Y0＝72.645*exp(X/248.3)-73.94。
将所述像素点在不同压力下测得的所述响应特征值依次代入所述补偿校准函数，并令所述补偿校准函数的函数值Y1为1，经过计算或者逼近得到b的数值为-1.6234，a1、a2、a3、a4的数值分别为0.369872、0.149765、1.075986、1.007117。其中，a1、a2、a3、a4分别表示位于该像素点上侧、下侧、左侧和右侧的像素点所对应的函数系数。则该像素点最终的校准公式为：
其中，X1、X2、X3、X4分别表示位于该像素点上侧、下侧、左侧和右侧的像素点的响应特征值。
本具体实施方式中所述压力的施加以及数据拟合、校准公式的计算可以通过数控和计算机实现。
本具体实施方式提供的柔性压力传感阵列的校准方法，针对每一像素点的校准，在基础校准公式的基础之上，综合考虑与每一像素点相邻的其他像素点对该像素点的影响，采用补偿校准公式与基础校准公式的乘积作为一像素点的最终的校准公式，避免了现有技术中校准时为柔性压力传感阵列的整个传感区域受力和实际检测时传感区域的局部受力不同所带来的串扰误差，提高了单个像素点的校准精度，确保了所述柔性压力传感阵列测量结果的准确度，改善所述柔性压力传感阵列的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感阵列的校准方法，所述柔性压力传感阵列包括呈阵列排布的多个传感器，每一所述传感器作为一像素点，其特征在于，包括如下步骤：
依次施加多个不同大小的压力于整个所述柔性压力传感阵列，获取每一所述像素点在每一所述压力下的响应特征值；
根据每一所述像素点在多个所述压力下的多个所述响应特征值拟合该像素点的响应特征曲线，获得每一所述像素点的基础校准公式；
提供一如下所示的补偿校准函数：
式中，Y1表示所述补偿校准函数的函数值，ai、b均为函数系数，X0表示一像素点的响应特征值，Xi表示在相同的所述压力下、与X0对应的像素点相邻的像素点的响应特征值；
将一所述像素点的所述响应特征值、以及与该像素点相邻的像素点的响应特征值代入至所述补偿校准函数中，并令所述补偿校准函数的值Y1为1，获得每一所述像素点的补偿校准公式；
计算每一所述像素点的基础校准公式与补偿校准公式的乘积，以所述乘积作为该像素点的校准公式。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，所述响应特征值类型为电容型、电流型、电阻型或者电压型。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，依次施加多个压力于整个所述柔性压力传感阵列的具体步骤包括：
将所述柔性压力传感阵列置于一刚性水平台表面；
提供一刚性压力板，所述刚性压力板的面积大于或等于所述柔性压力传感阵列的面积；
通过所述刚性压力板向整个所述柔性压力传感阵列施加所述压力。
4.根据权利要求3所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，通过所述刚性压力板向整个所述柔性压力传感阵列施加所述压力的具体步骤包括：
所述刚性压力板向整个所述柔性压力传感阵列施加同一所述压力多次，针对每一所述像素点，以多次相同压力下的响应特征值的平均值作为所述像素点在该压力下的响应特征值。
5.根据权利要求1所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，多个不同大小的压力的个数为5个以上。
6.根据权利要求1所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，获得每一所述像素点的基础校准公式的具体步骤包括：
采用多种不同的数据拟合方式对每一所述像素点进行所述响应特征曲线拟合，得到针对每一所述像素点的多条拟合曲线；
选择决定系数最大的拟合曲线作为该像素点的基础校准公式。
7.根据权利要求6所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，多种不同的数据拟合方式包括线性拟合和曲线拟合；所述曲线拟合包括指数函数拟合、多项式函数拟合、对数函数拟合、幂指数函数拟合、三角函数拟合和反三角函数拟合。
8.根据权利要求7所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，所述数据拟合的算法为最小二乘法或者最大似然估计法。
9.根据权利要求1所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，多个不同的所述压力中的最大压力为所述柔性压力传感阵列所能检测到的最大压力；多个不同的所述压力中的最小压力为所述柔性压力传感阵列所能检测到的最小压力。
10.根据权利要求1所述的柔性压力传感阵列的校准方法，其特征在于，所述柔性压力传感阵列为薄膜型压力传感阵列或纤维编织型压力传感阵列。
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