文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 尚志紅 常少麗 中國科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所 鄭善鋒

環(huán)境試驗設(shè)備檢驗自動化

文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 尚志紅 常少麗 中國科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所 鄭善鋒

本文描述了實現(xiàn)環(huán)境試驗設(shè)備檢驗自動化的方法。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、國家計量技術(shù)規(guī)范規(guī)定的檢驗步驟及方法，研制了環(huán)境試驗設(shè)備檢驗系統(tǒng)，該檢驗系統(tǒng)可由用戶選擇一種國家標(biāo)準(zhǔn)、國家計量技術(shù)規(guī)范進行檢驗，自動采集并保存測量點的溫濕度數(shù)據(jù)，按照選定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的算法自動計算出檢驗項目的結(jié)果，極大地提高了檢驗工作效率。

環(huán)境試驗設(shè)備；檢驗自動化；溫度測量；濕度測量

1.言

環(huán)境試驗設(shè)備的性能出廠時需要檢驗，在使用過程中也需要定期檢驗。檢驗項目、檢驗方法在相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、國家計量技術(shù)規(guī)范中有具體的規(guī)定[1～4]。需要檢驗的項目通常有溫度偏差、相對濕度偏差、溫度均勻度、相對濕度均勻度、溫度波動度、相對濕度波動度、溫度變化速率、每5min溫度平均變化速率、溫度過沖量、溫度過沖恢復(fù)時間、相對濕度過沖量、相對濕度過沖恢復(fù)時間、溫度指示誤差、相對濕度指示誤差等。對環(huán)境試驗設(shè)備進行檢驗，需要先按規(guī)定的檢驗方法及步驟，測量每個測量點的溫濕度，再根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的算法，計算出檢驗項目的結(jié)果，評價被檢驗設(shè)備的性能。

目前，市場上可用于溫濕度測量的溫濕度儀表設(shè)備，有一些沒有能與計算機連接的功能，即使能與計算機連接，也沒有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的算法應(yīng)用軟件的支持。我們研制了環(huán)境試驗設(shè)備檢驗系統(tǒng)，該檢驗系統(tǒng)可由用戶選擇任何一種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進行檢驗，設(shè)定溫濕度測量點數(shù)量，設(shè)定讀取測量點溫濕度數(shù)據(jù)的時間間隔和次數(shù)等參數(shù)，將各個測量點的溫濕度原始測量數(shù)據(jù)自動保存到數(shù)據(jù)庫，按照選定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的算法自動計算溫（濕）度偏差、溫（濕）度均勻度、溫（濕）度波動度、溫（濕）度過沖量、溫（濕）度過沖恢復(fù)時間、溫（濕）度指示誤差、溫度變化速率、每5min溫度平均變化速率等參數(shù)，打印檢驗記錄報表，極大地提高了檢驗工作效率。

2.據(jù)采集器

國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定了溫濕度測量點的數(shù)量、傳感器的安放位置、讀取溫濕度測量點數(shù)據(jù)的時間、條件以及次數(shù) 等。GB/T 5170.2-2008，GB/T 5170.5-2008及 JJF 1101-2003都規(guī)定：設(shè)備容積大于2m3時，溫度測量點為15個，相對濕度測量點為4個；容積小于2m3時，溫度測量點為9個，相對濕度測量點為3個。GB/T 5170.5-2008在8.1.2.1條關(guān)于恒定濕熱試驗設(shè)備檢驗步驟中規(guī)定：“自工作空間進入控溫控濕狀態(tài)后穩(wěn)定30min（穩(wěn)定時間最長不超過2h），開始記錄各測量點的溫濕度值和設(shè)備指示的溫濕度值，每隔1min記錄一次，在30min內(nèi)共記錄30次?！盝JF 1101-2003的6.2.5條規(guī)定：“將試驗設(shè)備的溫、濕度控制器設(shè)定到所要求的標(biāo)稱溫、濕度，使設(shè)備正常工作。穩(wěn)定后開始讀數(shù)，每2min記錄所有測試點的溫、濕度一次，在30min內(nèi)共測試15次?！盝JF 1101-2003規(guī)定要檢驗的項目只有溫度偏差、相對濕度偏差、溫度均勻度、相對濕度均勻度、溫度波動度、相對濕度波動度。GB/T 5170.5-2008規(guī)定要檢驗的項目較多，除了JJF 1101-2003規(guī)定的檢驗項目之外，還有每5min溫度平均變化速率、溫度過沖量、溫度過沖恢復(fù)時間、相對濕度過沖量、相對濕度過沖恢復(fù)時間等。GB/T 5170.2-2008是溫度試驗設(shè)備的檢驗方法，沒有相對濕度的檢驗項目，但是，每5min溫度平均變化速率、溫度變化速率兩個檢驗項目都必須做。

綜上所述，根據(jù)需要檢驗的環(huán)境試驗設(shè)備，選用合適的國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范，從而確定采集溫濕度測量點數(shù)據(jù)的流程（以下簡稱采集流程），該采集流程規(guī)定了采集點、采集條件、采集時間等。

環(huán)境試驗設(shè)備檢驗系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器及配套的軟件組成。圖1是數(shù)據(jù)采集器電路原理圖。數(shù)據(jù)采集器有30個通道，最多可測量30個溫度點或15個溫度點加15個濕度點。采用干濕球法測相對濕度。溫度傳感器采用Pt100鉑電阻。數(shù)據(jù)采集器通過USB接口與外接計算機連接，它主要包括恒流源電路、通道選擇電路、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、控制單元、USB接口、擴展接口。

當(dāng)采集流程確定之后，計算機將采集流程發(fā)送到采集器的控制單元，控制單元發(fā)出通道選通信號，選通某個通道，讓1mA恒定電流流經(jīng)該通道的鉑電阻，鉑電阻兩端的電壓信號經(jīng)放大后，進行A/D轉(zhuǎn)換，控制單元發(fā)送控制信號到A/D轉(zhuǎn)換器，控制啟動、停止A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，數(shù)據(jù)暫時存放在數(shù)據(jù)儲存區(qū)，完成一個通道的溫濕度數(shù)據(jù)采集?？刂茊卧俅伟l(fā)出選通信號，選通下一個通道，重復(fù)上述步驟，依次采集每個通道的溫濕度數(shù)據(jù)，直到最后一個通道，完成一輪巡檢，在下一輪巡檢到來之前，采集器將數(shù)據(jù)儲存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給外接計算機，等待下一輪巡檢。

采用數(shù)據(jù)儲存區(qū)暫時存放采集數(shù)據(jù)的方法，可克服通訊接口帶來的時間延誤。每通道的采集時間約為2ms（包括A/D轉(zhuǎn)換時間、通道切換時間），約60ms可采集全部30個通道的溫濕度數(shù)據(jù)。這個時間已經(jīng)足夠短，能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范規(guī)定的每隔1min(或2min、5min)記錄一次數(shù)據(jù)的要求。例如，當(dāng)環(huán)境試驗設(shè)備容積大于2m3時，溫度測量點為15個，相對濕度測量點為4個，按GB/T 5170.5-2008的8.1.2.1條檢驗恒定濕熱試驗設(shè)備，每隔1min記錄一次，每次記錄19個溫濕度測量點數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間約等于38ms，約占1min測量間隔的1/1600。

為減少傳感器導(dǎo)線帶來的測量誤差，采用四線制接法，圖2是鉑電阻的四線制接法連接示意圖。

數(shù)據(jù)采集器的恒流源可提供約等于1mA恒定電流。為了盡量減少電路漂移帶來的測量誤差，數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置一只低溫度系數(shù)的RX70型精密線繞電阻作為標(biāo)準(zhǔn)電阻，標(biāo)準(zhǔn)電阻精度為±0.05%，其溫度系數(shù)在±25ppm/℃左右。在一般的溫度環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)電阻的溫度漂移不會影響測量精度。圖3是減少因電路漂移導(dǎo)致測量誤差的電路原理圖。

將Pt100鉑電阻置于溫度為t的待測量環(huán)境中，設(shè)鉑電阻為Rt ，精密線繞電阻值Rs，恒流源電流I。用MC14051芯片作為模擬開關(guān)，通過控制模擬開關(guān)的狀態(tài)，先讓恒定電流流經(jīng)精密線繞電阻，采集精密線繞電阻兩端電壓信號Us，再讓恒定電流流經(jīng)鉑電阻傳感器，采集鉑電阻兩端電壓信號Ut。由于切換模擬開關(guān)狀態(tài)所需時間極短（約100us），可以認(rèn)為電路（包括恒流源電路、放大器電路等）的漂移為零。由歐姆定律得知：

I=Us/Rs

Rt=Ut/I=Ut Rs / Us （1）

由式（1）可知，Rt與恒流源電流I無關(guān)，根據(jù)Rt值查找Pt100鉑電阻分度表換算出待測溫度t。

采用干濕球法測相對濕度。干濕兩個溫度傳感器配對使用，根據(jù)干濕兩個溫度傳感器測得的溫差計算相對濕度。

采集器的擴展接口包括一個RS-232接口和一個USB2.0接口。如果被檢驗設(shè)備的通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式是開放的，擴展接口可用于連接被檢驗設(shè)備，讀取被檢驗設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、溫濕度指示值等。

3.件功能設(shè)計

軟件由兩部分組成：第一部分固化在采集器，按照采集流程采集溫濕度，并把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給外接計算機；第二部分是運行在外接計算機Windows操作環(huán)境下的應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件主要由檢驗測量、數(shù)據(jù)管理、用戶管理、查詢統(tǒng)計、報表打印、數(shù)據(jù)分析圖表等功能模塊組成，如圖4所示。

下面主要介紹檢驗測量功能模塊。圖5是檢驗測量過程，步驟如下：（1）輸入基本信息。采取省缺加用戶自定義方式輸入基本信息，省缺的基本信息有檢驗日期、被檢驗設(shè)備名稱及規(guī)格型號、被檢驗設(shè)備制造廠及出廠編號、檢驗員等。用戶自定義方式比較靈活，允許用戶增加一些認(rèn)為有用的基本信息，刪除一些無用的基本信息。（2）選擇標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。常用的有三個：GB/T 5170.2-2008， GB/T 5170.5-2008及 JJF 1101-2003，用戶可根據(jù)需要選擇。有些特殊情況下，用戶可能需要采用軍標(biāo)或外國標(biāo)準(zhǔn)，因此，允許用戶自定義標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。在用戶自定義方式下，軟件系統(tǒng)無法自動提供省缺的測量點數(shù)量、采集流程，也不能自動計算檢驗項目的結(jié)果。此時，用戶必須自定義測量點數(shù)量、采集流程，提供計算檢驗項目結(jié)果的算法。（3）選擇被檢驗設(shè)備容積。有兩個常規(guī)選擇：大于2m3或小于2m3，另有兩個特殊選擇：大于50m3或小于0.05m3。（4）選擇被檢驗設(shè)備類別。根據(jù)步驟2所選的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，軟件系統(tǒng)自動提供省缺的類別。例如，步驟2選擇GB/T 5170.5-2008，則省缺的類別有：恒定濕熱試驗設(shè)備、交變濕熱試驗設(shè)備、長霉試驗設(shè)備。（5）定制測量點數(shù)量。容積大于2m3，15個溫度點，4個濕度點；容積小于2m3，9個溫度點，3個濕度點。當(dāng)容積大于50m3或小于0.05m3時，用戶可自行增加或減少測量點。（6）定義測量點。測量點符號與選用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范有關(guān)。例如，在GB/T 5170.5-2008中，溫度測量點用O, A, B, C, D, E, F, G, H, J,K,L,M,N,U表示，相對濕度測量點用Oh,Dh,Hh,Lh表示，如圖6所示。用戶可選擇這些測量點分別對應(yīng)采集器的某一個通道。（7）讀取被檢驗設(shè)備指示的溫濕度值有三種方式。第一種方式，如果被檢驗設(shè)備帶有智能控溫控濕裝置，并且用戶能掌握智能控溫控濕裝置的通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式，可通過采集器的擴展接口讀取被檢驗設(shè)備指示的溫濕度值；第二種方式，目前，大多數(shù)被檢驗設(shè)備帶有智能控溫控濕裝置，并配有運行于外接計算機的實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)，但用戶可能無法掌握智能控溫控濕裝置的通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式，無法通過擴展接口讀取被檢驗設(shè)備數(shù)據(jù)。此時，可通過讀取實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的方式來間接地獲取被檢驗設(shè)備指示的溫濕度值；第三種方式，當(dāng)前面兩種方式都無法實施時，可以人工輸入被檢驗設(shè)備指示的溫濕度值。（8）確認(rèn)采集流程。根據(jù)用戶前面幾個步驟的選擇，軟件系統(tǒng)自動提供符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的采集流程，由用戶確認(rèn)。采集流程以圖表方式表示，它確定了檢驗測量開始后，經(jīng)過多長時間，到達什么狀態(tài)或滿足什么條件時采集哪一個測量點數(shù)據(jù)。（9）當(dāng)采集流程確認(rèn)后，系統(tǒng)將按采集流程開始采集數(shù)據(jù)，直到完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。（10）按照選定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的算法自動計算出檢驗項目的結(jié)果，打印檢驗記錄報表，描繪溫濕度特性曲線。

4.束語

我們研制的環(huán)境試驗設(shè)備檢驗系統(tǒng)，不但能提高檢驗工作效率，而且，由于所有的數(shù)據(jù)采集都是按預(yù)先確定的采集流程進行的，比傳統(tǒng)的人工讀取數(shù)據(jù)更加客觀準(zhǔn)確。另外，檢驗系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理、用戶管理功能，能幫助用戶建立一套嚴(yán)格的管理制度，規(guī)定檢驗員、系統(tǒng)管理員的操作權(quán)限，使得檢驗員無法隨意修改檢驗數(shù)據(jù)，確保檢驗數(shù)據(jù)真實可靠。

[1] JJF 1101-2003 環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2003年發(fā)布。

[2] GB/T 5170.1-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法-總則，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2008年發(fā)布。

[3] GB/T 5170.2-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法-溫度試驗設(shè)備，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2008年發(fā)布。

[4] GB/T 5170.5-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法-濕熱試驗設(shè)備，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2008年發(fā)布。

Inspection Automation for Environmental Testing Equipment

Automatic inspection for environmental testing equipments is discussed here. According to inspection steps and methods provided in national standards and measuring specifications,we have developed an automatic inspection system for environmental testing equipments. The automatic inspection system allows users to choose one of national standards or measuring specifications to carry out inspection. It can automatically collect and save temperature and humidity of measurement points and calculate out automatically the result of inspection projects according to the algorithm provided in the chosen standards or specifications. The work efficiency of inspection would be highly improved.

environmental testing equipments；inspection automation；temperature measurement；humidity measurement

尚志紅（1970-）工程師，從事電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境測試研究工作；

常少麗(1979-）工程師，從事可靠性與環(huán)境試驗以及標(biāo)準(zhǔn)制定工作；

鄭善鋒（1963-）高工，從事自動控制、計算機硬件接口、網(wǎng)絡(luò)及軟件開發(fā)。