王子

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110036）

引言

近年來(lái)，傳感器在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而壓力傳感器是其中應(yīng)用是最廣泛、最為普遍的。目前，壓力傳感器正向小型化、集成化和智能化方向發(fā)展，這也將壓力測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。因此對(duì)批量生產(chǎn)的壓力傳感器的檢測(cè)校準(zhǔn)具有十分重要的意義。

最初的批量檢測(cè)和校準(zhǔn)都是通過(guò)人工的方法，將一批（成百上千只）壓力傳感器逐一進(jìn)行校準(zhǔn)，每校準(zhǔn)一個(gè)需要重新更換測(cè)試電纜，并手動(dòng)記錄校準(zhǔn)結(jié)果。這種人工方法不僅費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且一致性不強(qiáng)，容易出錯(cuò)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，后來(lái)批量測(cè)試引入了單片機(jī)技術(shù)，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的測(cè)量校準(zhǔn)方法在校準(zhǔn)速度上得到了很大提高，但這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是校準(zhǔn)結(jié)果不能直觀顯示，只能通過(guò)測(cè)試儀上的顯示讀出當(dāng)前的測(cè)量參數(shù)，而且這種方法不太穩(wěn)定。

虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了系統(tǒng)顯示不直觀的不足，通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)與儀器硬件有機(jī)地融合在一起，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，不僅減少了系統(tǒng)的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)以及分析處理結(jié)果，并存儲(chǔ)記錄。

本文研究的多路壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)就是結(jié)合虛擬儀器技術(shù)組建的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器、壓力變送器檢定過(guò)程全自動(dòng)精確測(cè)量與數(shù)據(jù)記錄，實(shí)現(xiàn)多路壓力傳感器的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等相應(yīng)性能參數(shù)的計(jì)算功能，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，滿足大批量壓力傳感器快速測(cè)量、檢定工作的需要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，其中虛線部分為與系統(tǒng)連接的其他設(shè)備。

系統(tǒng)由主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、程控電源、多路控制器和外接裝置等五部分組成。

系統(tǒng)主機(jī)：采用TCP/IP協(xié)議與數(shù)據(jù)采集器、程控電源、多路控制器和壓力測(cè)控儀連接，實(shí)現(xiàn)控制和測(cè)量的功能。通過(guò)其上運(yùn)行的LabVIEW軟件進(jìn)行通道切換，數(shù)據(jù)采集、記錄、運(yùn)算。

數(shù)據(jù)采集器：根據(jù)測(cè)量的要求，進(jìn)行傳感器電壓、電阻的測(cè)量。

程控電源：為系統(tǒng)提供高精度的電源。

多路控制器：為90路1.5 mA恒流源供電,對(duì)多路傳感器進(jìn)行切換測(cè)量。

外接裝置：包括壓力測(cè)控儀、氣瓶和恒溫箱，給系統(tǒng)提供壓力和溫度配給。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集器

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)安捷倫34410數(shù)字萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)，結(jié)合自制的開關(guān)選通板與矩陣板實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的切換采集功能，通過(guò)網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)測(cè)量的軟件編程控制功能。

安捷倫 34410在本系統(tǒng)中主要用于高精度直流電壓和電阻的兩線、四線制測(cè)量，在滿足參數(shù)測(cè)量的情況下，可達(dá)到1 000讀數(shù)/s的測(cè)量速度，所有測(cè)量功能均集成于一個(gè)緊湊的高性能模塊化平臺(tái)中。軟件技術(shù)方面，采用LabVIEW軟件，利用儀器驅(qū)動(dòng)程序編程實(shí)現(xiàn)其硬件的動(dòng)態(tài)訪問(wèn)和控制。

2.2 多路控制器

2.2.1 多通道選通模塊

多通道選通模塊主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)試傳感器的快速切換及恒流源供電控制功能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)90只傳感器選1，及450個(gè)通道選5的低導(dǎo)通電阻、高速切換功能。圖3表示了選通控制模塊的切換邏輯，用于選通5根信號(hào)線的開關(guān)可以選擇一個(gè)4刀或者2個(gè)2刀的繼電器實(shí)現(xiàn)，供電控制的開關(guān)必須使用一個(gè)單獨(dú)的繼電器控制。其中，Rx是電流測(cè)量的取樣電阻。單塊通道卡可提供8只傳感器，40個(gè)通道的測(cè)量切換功能，卡與外部連接采用37針的電連接器連接。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖2 數(shù)據(jù)采集器

圖3 選通控制模塊原理框圖

2.2.2 測(cè)量控制模塊

測(cè)量控制卡主要通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信及邏輯選通控制，并與矩陣開關(guān)組合實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)與通道的切換組合控制，使用4*4開關(guān)矩陣，可靈活對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，包括測(cè)量端切換、電阻短路控制、正反向測(cè)量等，其原理框圖如圖4所示。

2.2.3 恒流源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要為被測(cè)量傳感器提供90路精度為±0.005 mA的恒流源。傳感器對(duì)恒流源電流精度及穩(wěn)定性要求較高，恒流源電路設(shè)計(jì)中選用高精度、低溫漂電子器件，確保滿足實(shí)際使用的需要。

圖4 矩陣開關(guān)原理框圖

圖5 恒流源設(shè)計(jì)原理示意圖

恒流源設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器的電流串聯(lián)負(fù)反饋電路形式，這種電路形式的電流調(diào)整能力強(qiáng)，電流輸出穩(wěn)定，較適合本系統(tǒng)中使用。恒流源的電路示意圖如圖5所示。RL表示電流源的負(fù)載；Rf構(gòu)成恒流源的反饋電阻。

為了保證恒流源的精度要求，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮反饋電阻的初始精度和溫度系數(shù)對(duì)恒流源輸出電流在電路特性上的影響；還應(yīng)考慮運(yùn)算放大器的輸入偏置電壓、輸入偏置電壓溫度系數(shù)、輸入偏置電流對(duì)電路特性的影響，而這種影響是在電路特性分析之外的，需要進(jìn)行額外的計(jì)算和試驗(yàn)；還必須要考慮基準(zhǔn)電壓源的初始精度和溫度系數(shù)對(duì)恒流源的影響。設(shè)計(jì)選用低溫漂、高精度的基準(zhǔn)源REF5025和OPA241構(gòu)成恒流源能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求，電路中的電阻選擇0.1 %精度和25 ppm/℃溫度系數(shù)的低溫漂、高精度電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化軟件實(shí)現(xiàn)。LabVIEW提供了最常用的、也是最完整的圖形化開發(fā)環(huán)境。對(duì)于高度自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試管理軟件提供了一個(gè)面向順序執(zhí)行、分支/循環(huán)、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫(kù)集成的框架。圖形化的編程方式，直接簡(jiǎn)便，使得程序更加方便，減少程序的開發(fā)時(shí)間。

傳感器壓力自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件的基本功能如圖6所示。

壓力校準(zhǔn)軟件主要實(shí)現(xiàn)90只傳感器的壓力校準(zhǔn)功能，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。程序首先進(jìn)行采集的初始化設(shè)置，包括通訊端口與通信速率選擇、采集器測(cè)量參數(shù)、測(cè)量通道、校準(zhǔn)點(diǎn)、行程數(shù)等參數(shù)，根據(jù)不同測(cè)試需要控制通道的切換，同時(shí)控制恒流源供電，并監(jiān)測(cè)傳感器的工作電流，根據(jù)設(shè)置的校準(zhǔn)點(diǎn)與行程數(shù)進(jìn)行相應(yīng)壓力信號(hào)采集，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，采集完畢后，計(jì)算傳感器準(zhǔn)確度、線性度等參數(shù)，并顯示結(jié)果，同時(shí)提供數(shù)據(jù)打印功能。其前面板如圖7所示。

圖6 壓力校準(zhǔn)軟件功能框圖

圖7 壓力校準(zhǔn)軟件界面

4 結(jié)論

基于虛擬儀器的多路壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用虛擬儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器和多路控制器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器或壓力變送器檢定過(guò)程中的全自動(dòng)精確測(cè)量與數(shù)據(jù)記錄，實(shí)現(xiàn)多路壓力傳感器的自動(dòng)測(cè)量、校準(zhǔn)功能。減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，滿足大批量壓力傳感器快速測(cè)量、檢定工作的需要。

本系統(tǒng)的建立使得壓力傳感器的檢測(cè)速度得到很大提高，并使其測(cè)量校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化，校準(zhǔn)精度和一致性也將得到一定的提升。并且由于采用了虛擬儀器技術(shù)，在數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交換等方面顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)，為批量生產(chǎn)的壓力傳感器的測(cè)試帶來(lái)了方便并提供了新的思路，因此將在壓力傳感器的科研和批量生產(chǎn)測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用。

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