苗鳳娟，張冬梅，陶佰睿，顧　丁，劉文慧，孫振龍

(1．齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾　161006；2．齊齊哈爾大學招生辦公室，黑龍江齊齊哈爾　161006)

0　引言

在社會生活和產品生產過程中，所有測量儀器的工作狀態(tài)都必須定期校驗，以確保儀器的性能和準確度[1]。濕度傳感器在工作中常與空氣中的灰塵或化學物質接觸，受工作時間以及環(huán)境溫度變化和機械振動等因素影響，會導致濕度傳感器產生測量誤差。但是傳統(tǒng)濕度傳感器校準儀器設備非常昂貴，操作過程繁瑣，使用極為不便。根據存在的這些局限性，可以利用虛擬儀器[2]代替真實的儀器設備，用軟件代替硬件，設計具有高性價比的檢測系統(tǒng)。文中以實驗室的濕度源為檢測對象，設計一種以虛擬儀器為核心的濕度校準平臺系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)的組成及原理

系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，其中硬件是基礎，軟件是核心。系統(tǒng)硬件主要由濕度傳感器、數(shù)據采集卡、計算機等各部分構成。系統(tǒng)校準原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)校準原理框圖

該實驗系統(tǒng)硬件采集的信號由干濕球溫度計提供，利用干濕球測量法對濕度源進行信號采集，采集到的信號由NI M 系列數(shù)據采集卡PCI-6221傳至主機并通過LabVIEW平臺對信號進行處理和顯示。同以往的校準系統(tǒng)相比，無需測試轉換儀器和設備，系統(tǒng)得到簡化，應用較靈活。

2　構建標準濕度環(huán)境

2．1校準系統(tǒng)結構

濕度傳感器校準實驗平臺包括平臺結構部分和電氣部分，其中平臺結構部分主要是校準腔的結構。腔內設計采用絕緣板和泡沫隔熱板。校準腔內分別安裝有調速風扇、半導體制冷裝置、PTC加熱器；另外，在腔內擺放飽和鹽溶液、干濕球[3]濕度計和待校準的濕度傳感器。濕度傳感器校準平臺結構圖如圖2所示。

圖2　濕度校準平臺結構圖

實驗通過7種金屬鹽的飽和溶液來實現(xiàn)不同等級的濕度環(huán)境。不同飽和鹽溶液的標準濕度如表1所示[4-6]。在25℃、1個標準大氣壓條件下，采集干濕球濕度響應，看測得結果與飽和鹽溶液標準濕度值的誤差；經多次測量后，若相對濕度誤差不超過±3%RH，表明金屬飽和鹽溶液構建的不同等級標準濕度環(huán)境是切實可行的。

表1　金屬鹽飽和溶液標準濕度環(huán)境

2．2校準系統(tǒng)工作原理

利用LabVIEW和數(shù)據采集卡控制風扇速度恒為2.5 m/s，此時讓繼電器控制加熱器開始工作。當溫度達到20℃時，提高繼電器的工作頻率；當溫度達到24℃時，加熱器停止加熱；當溫度超過25℃時，制冷器開始工作；在此過程中干球溫度計一直對密閉腔內的溫度進行實時采集，并將結果通過LabVIEW進行顯示。重復操作此過程，直到密閉腔內的溫度穩(wěn)定在25℃時，保持此時的工作狀態(tài)，開始進行實驗。

根據GB 6999-86(中華人民共和國環(huán)境試驗用相對濕度差算表)，在LabVIEW中置入數(shù)據庫，如圖3所示，預先錄入干球溫度、濕球溫度，對應的相對濕度值，以Excel表格形式進行存儲和調用。然后將濕度傳感器校準平臺環(huán)境溫度控制在25℃，1標準大氣壓，風速2.5 m/s，LabVIEW平臺將實時采集干、濕球溫度并計算其差值，取最大溫差后計算其對應的相對濕度并顯示。

圖3　啟動Excel的程序框圖

文中是以電容型濕度傳感器為例進行校準設計的。針對其他類型濕度傳感器，可以設計外接調理電路模塊，來實現(xiàn)功能拓展[7]。

3　校準實驗箱LabVIEW平臺設計

虛擬儀器前面板作為人機的交換界面，無論從可操作性還是外觀美化都有很高的要求，而且在此基礎上也可以幫助我們更好地進行程序設計，從而完成整個軟件部分的設計。

3．1平臺主菜單設計

在平臺主菜單的設計過程中，為了方便軟件控制系統(tǒng)的各個子VI間的切換，設計了平臺主菜單。該菜單采用數(shù)組函數(shù)調用子VI的方法來實現(xiàn)框圖程序。3個功能模塊子VI．vi函數(shù)及Index Array．vi函數(shù)之間的相互連接如圖4所示。調用各個模塊VI的控制前面板如圖5所示。

圖4　采用數(shù)組函數(shù)調用子VI方法對應的框圖程序

圖5　測試系統(tǒng)主菜單

3．2干濕球采集界面

設計利用LabVIEW中的DAQ assistant數(shù)據采集助手來實現(xiàn)仿真物理量的實時測量。用Express．vi 顯示該平臺名稱、當前采集時間；由DAQ采集數(shù)據，采集到的數(shù)據經過Filter．vi進行濾波，并輸出濾波后的信號；同時采集干濕球數(shù)據；將兩個濾波動態(tài)數(shù)據分離，分離后提取信號特征量；動態(tài)數(shù)據用Email with Date．vi進行存儲[8-9]。干濕球前面板的運行過程如圖6和圖7所示，采集與存儲狀態(tài)后面板如圖8所示。

圖6　采集過程部分圖

圖7　干濕球采集前面板

3．3調理電路

文中需要校準的濕度傳感器是將非電量的環(huán)境濕度值轉換成電量的電容值，實現(xiàn)非電量向電量的轉換。待校準的濕度傳感器輸出的電容特征量不便于記錄與分析，因此需要將電容特征量轉變?yōu)楸阌谟嬎銠C直接進行處理與存儲的信號—頻率信號。電容頻率轉換電路如圖9所示。

當環(huán)境濕度變化時，待測濕度傳感器等效電容CH發(fā)生改變，從而多諧振蕩器輸出的振蕩頻率[10]發(fā)生相應的變化，根據振蕩電路工作原理可知，該輸出頻率與濕度傳感器的等效電容值將形成一一對應的關系。因此，可以通過振蕩電路輸出頻率大小來表示環(huán)境相對濕度值的大小。

圖8　采集與存儲狀態(tài)后面板

圖9　電容頻率轉換電路

振蕩周期主要由兩部分組成，其值分別為電容CH的充電時間T1和放電時間T2，即

T1=R1CHln2

(1)

T2=R2CHln2

(2)

振蕩周期為

T=(R1+R2)CHln2

(3)

振蕩頻率為

f0=1/T=1/[(R1+R2)CHln2]

(4)

通過式(1)和式(2)可知，可以調節(jié)R1和R2的值改變輸出振蕩周期和頻率，校準過程中可以通過調節(jié)RP來獲得一個較理想的頻率輸出范圍，以便后續(xù)數(shù)據采集卡工作點正常。

此外從式(4)中知道當R1和R2固定不變時，電容CH與輸出頻率fo形成一對應函數(shù)關系，這一關系定義為濕度傳感器電容一頻率輸出函數(shù)，即當環(huán)境濕度變化引起濕度傳感器等效電容CH改變時，表現(xiàn)為多諧振蕩器的輸出振蕩頻率發(fā)生相應的變化。因此，通過這一轉換電路，得到了頻率輸出信號。

3．4頻率采集界面

頻率采集中，用DAQmx Create Virtual Channel．vi設置采集通道、采集時間等量；DAQmx Start Task．vi開始采集數(shù)據[11]；DAQmx Read．vi對數(shù)據進行讀取；采集到的數(shù)據通過數(shù)組至電子表格轉換函數(shù)，轉換成表格后用Write characters to file．vi進行存儲[12]。頻率采集前面板如圖10所示。

圖10　頻率采集前面板

3．5數(shù)據存儲

干濕球采集模塊與頻率采集模塊運行中存儲的數(shù)據如表2所示。

表2　濕度傳感器校準

4　結束語

文中研究的是濕度傳感器校準平臺，實現(xiàn)濕度校準范圍11.3%RH～97.6%RH內的校準，實現(xiàn)了對電容式濕度傳感器校準平臺的設計。該設計的研究成果及設計理念做到了理論聯(lián)系實際，具有較強的現(xiàn)實使用價值。因此基于以上情況，濕度傳感器的校準裝置對實際生活及工業(yè)需要有重要的意義。

參考文獻：

[1]李亞．基于LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)設計．湖南工程學院學報，2012，22(1)：24．

[2]RAI Z K，XIE C S，HU M L，et al．Effect of humidity on the gas sensing property of the tetrapod-shaped ZnO nanopowder senser．Materials Science and Engineering B，2008，49(1)：2-17．

[3]丁鐵夫，菀振，甘春和，等．基于DSP的高精度相對濕度量試系統(tǒng)設計．儀表技術與傳感器，2010(2)：65．

[4]蔡春麗，付志豪，任昆，等．高精干濕球濕度傳感器的設計．儀表技術與傳感器，2011(1)：8．

[5]張夢珠，戈振陽．基于LabVIEW的超干粉濕度測試系統(tǒng)．儀表技術與傳感器，2011(12)：36．

[6]曹亞光，周建華．基于PCI-6221和LabVIEW的材料試驗機力值測控系統(tǒng)硬件設計．現(xiàn)代制造技術與裝備，2009(6)：12．

[7]姚蘭，劉鵬．基于LabVIEW的太陽能數(shù)據采集軟件系統(tǒng)．儀表技術與傳感器，2012(3)：103-104．

[8]陶佰睿，苗鳳娟，張義波．基于LabVIEW的可編程函數(shù)發(fā)生器設計．電視技術，2012，36(11)：157-159．

[9]崔琳哲，李書平，康俊勇．基于LabVIEW的外延片光致發(fā)光掃描系統(tǒng)．光子學報，2012，41(7)：792-793．

[10]TAO B R，ZHANG J，MIAO P C， et al．Capacitive humidity sensors based on Ni/SiNWs nanocomposites．Sensors and Actuators B，2009，136：146-147．

[11]李超，焦瑞麗，陳家田．基于LabVIEW的并行數(shù)據采集系統(tǒng)設計．遼寧工程技術大學學報，2012，31(1)：89-91．

[12]Hui-Bin Zhao，Jian-Xun Jin，Pu-Chun Jiang et al．LabVIEW and PCI DAQ Card Based HTS Test and Control Platforms．Journal of Electronic Science and Technology of China，2008，6(2)：2-3．