唐勝武， 李冰冰， 王 旭

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

多通道壓力傳感器多參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐勝武， 李冰冰， 王 旭

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

設(shè)計(jì)了一種壓力傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路傳感器和多個(gè)參數(shù)的自動(dòng)切換測(cè)量。通過設(shè)計(jì)的多功能矩陣開關(guān)電路配合一臺(tái)高精度數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)選通切換與測(cè)量；采用LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)、溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)、時(shí)漂數(shù)據(jù)顯示以及計(jì)算、報(bào)表功能。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行90只壓力傳感器的橋路電壓、電阻、電流等參數(shù)測(cè)量，滿足精度為1 %～0.1 %壓力傳感器批量產(chǎn)品檢測(cè)與檢定的多種測(cè)試需要。

多通道； 多參數(shù)； 壓力傳感器； 矩陣開關(guān)； 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

0 引 言

近年來，為解決壓力傳感器生產(chǎn)與檢定過程中人工操作強(qiáng)度大、工作效率低等問題，一些企業(yè)、科研院所相繼開展了傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制。文獻(xiàn)[1，2]設(shè)計(jì)了一種壓力傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)與儀器連接，實(shí)現(xiàn)了單只壓力傳感器的自動(dòng)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理；文獻(xiàn)[3,4]分別設(shè)計(jì)了多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)與檢測(cè)系統(tǒng)。但目前這些測(cè)試系統(tǒng)僅是對(duì)傳感器輸出電壓進(jìn)行切換測(cè)量，不能滿足壓力傳感器生產(chǎn)過程中不同工序的多參數(shù)測(cè)量要求。

本文設(shè)計(jì)一種壓力傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過總線將多路選通電路與矩陣開關(guān)電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)組合邏輯切換控制，配合一臺(tái)高精度數(shù)據(jù)采集器并結(jié)合采用LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)90只傳感器的工作電流、橋路電壓、輸出信號(hào)、橋路電阻等多個(gè)參數(shù)的測(cè)量和通道切換、供電、接點(diǎn)選擇等控制功能，滿足精度為1 %～0.1 %壓力傳感器批量生產(chǎn)產(chǎn)品檢驗(yàn)與標(biāo)定的需要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系體總體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、采集控制器、程控電源、多串口卡組成。系統(tǒng)外部配置壓力測(cè)控儀和恒溫箱，為傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度環(huán)境；采集控制器是系統(tǒng)的執(zhí)行核心，通過其中的測(cè)量控制電路控制傳感器通道選擇與開關(guān)矩陣的邏輯切換，實(shí)現(xiàn)傳感器橋路各待測(cè)電壓、電阻、電流點(diǎn)的交叉組合輸出，并提供多路穩(wěn)定恒流源供電；數(shù)據(jù)采集器完成輸入信號(hào)測(cè)量功能；系統(tǒng)主機(jī)通過以太網(wǎng)口和擴(kuò)展的串口對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換[5,6],實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)與報(bào)表打印功能。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall structure of test system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)壓力傳感器標(biāo)定[7]、溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)采集等測(cè)試要求，系統(tǒng)需分別完成90路傳感器的工作電流I、橋壓VB、輸出信號(hào)VO、零點(diǎn)及滿量程輸出信號(hào)VFS、橋臂電阻(R1,R2,R3,R4)等參數(shù)測(cè)量。電阻測(cè)量時(shí)，需控制切斷傳感器供電。傳感器各參數(shù)測(cè)量的采樣位置如圖2所示,虛線部分為傳感器內(nèi)部電橋結(jié)構(gòu)，Ri為電流測(cè)量取樣電阻。

圖2 壓力傳感器數(shù)據(jù)采集示意圖Fig 2 Diagram of pressure sensor data acquisition

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以上參數(shù)測(cè)量與控制功能，必須合理設(shè)計(jì)開關(guān)切換邏輯才能有效降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高運(yùn)行效率。

圖3給出了數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的示意圖，90只傳感器按照引腳標(biāo)號(hào)接到系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的連接器(J1,J2,…，J90)上，通過開關(guān)(K1,K2,…，K90)選通一組待測(cè)傳感器，將其4根引線接入到4×4開關(guān)矩陣上，通過矩陣各交叉點(diǎn)開關(guān)的組合切換，將待測(cè)引腳與數(shù)據(jù)采集器的4個(gè)測(cè)量端口連接，實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)或四點(diǎn)的測(cè)量端接入、正反向測(cè)量等功能。

采集控制器采用模塊化設(shè)計(jì)[8]，由12塊8通道的選通控制卡構(gòu)成的陣列模塊與1塊測(cè)量控制卡通過背板上的模擬信號(hào)總線進(jìn)行連接，通過一套基于數(shù)字通信協(xié)議的背板控制總線進(jìn)行管理。每塊卡均具有通信與控制功能，測(cè)量控制卡與系統(tǒng)主機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)模塊與系統(tǒng)的雙向通信。系統(tǒng)在觸發(fā)閉合掃描列表中下一個(gè)測(cè)量功能后產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字脈沖，在每個(gè)掃描列表連接完畢后，模塊發(fā)送脈沖，觸發(fā)下一個(gè)測(cè)量開始，整個(gè)測(cè)量順序得到了有效管理，確保實(shí)現(xiàn)最優(yōu)吞吐量[9]。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Fig 3 Diagram of data acquisition system

數(shù)據(jù)采集器采用Agilent 34410型數(shù)字萬用表,通過網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)測(cè)量及其軟件編程控制功能。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，具有標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，能容易地集成至自動(dòng)測(cè)試或數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)配置、測(cè)試過程控制、測(cè)試數(shù)據(jù)處理與報(bào)表生成。數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW軟件的CLF技術(shù)[10]，利用采集器儀器驅(qū)動(dòng)程序編程實(shí)現(xiàn)其硬件的動(dòng)態(tài)訪問和控制；通過TCP/IP與串行通信接口進(jìn)行設(shè)備控制操作與數(shù)據(jù)交互[11]；采用ACCESS數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)軟件程序架構(gòu)如圖4所示。軟件程序運(yùn)行開始選擇測(cè)試功能，按測(cè)試要求配置壓力測(cè)控儀、數(shù)據(jù)采集器、采集控制器等設(shè)備初始參數(shù)。測(cè)試開始后，軟件根據(jù)設(shè)置的行程數(shù)、標(biāo)定點(diǎn)、量程、溫度點(diǎn)、室溫、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量間隔、控制誤差等參數(shù)，完成自動(dòng)化標(biāo)定數(shù)據(jù)、溫補(bǔ)數(shù)據(jù)、時(shí)漂數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)后進(jìn)行計(jì)算與數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)圖形顯示、報(bào)表生成、文件存儲(chǔ)功能。

圖4 軟件程序架構(gòu)Fig 4 Architecture diagram of software program

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)分別進(jìn)行了壓力傳感器標(biāo)定、時(shí)漂、溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)采集測(cè)試[12,13]。被測(cè)傳感器量程為0～1 MPa，供電電流1.5 mA，通過串口與MENSOR600壓力測(cè)控儀通信實(shí)現(xiàn)壓力控制，批次測(cè)量數(shù)量90只，以下數(shù)據(jù)為其中1只傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表。

壓力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)采集設(shè)置6個(gè)壓力標(biāo)定點(diǎn)，3個(gè)行程，量程上限1 MPa，量程下限0 MPa，實(shí)際供電電流為1.501 mA，標(biāo)定數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

壓力傳感器時(shí)漂數(shù)據(jù)采集設(shè)置試驗(yàn)時(shí)間為24 h，時(shí)間間隔為6 h，壓力值為0.1 MPa，滿量程為5.003 33 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

壓力傳感器溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)采集設(shè)置低溫點(diǎn)工作溫度為-40 ℃，高溫為125 ℃，室溫為25 ℃，量程為0～1 MPa，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表1 壓力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab 1 Calibration datas of pressure sensor

表2 檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab 2 Datas of test result

表3 時(shí)漂數(shù)據(jù)Tab 3 Datas of time drift

表4 溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)Tab 4 Datas of temperature compensation

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了90只壓力傳感器不同測(cè)試點(diǎn)的電壓、電阻、工作電流測(cè)試，整個(gè)過程無需人工干預(yù)，可自動(dòng)完成傳感器通道切換、多參數(shù)測(cè)量、計(jì)算和報(bào)表生成的全部過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能夠滿足精度為1 %～0.1 %的壓力傳感器自動(dòng)批量生產(chǎn)測(cè)試與標(biāo)定需要。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器批量、多參數(shù)自動(dòng)測(cè)量，可同時(shí)進(jìn)行90只傳感器的檢測(cè)與標(biāo)定數(shù)據(jù)、時(shí)漂數(shù)據(jù)、溫補(bǔ)數(shù)據(jù)采集，每只傳感器的測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)參數(shù)可獨(dú)立切換控制，能夠滿足精度為1 %～0.1 %的壓力傳感器批量生產(chǎn)過程中的全部測(cè)試需要。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、控制靈活、擴(kuò)展能力強(qiáng)，可通過級(jí)聯(lián)開關(guān)控制模塊，增加傳感器測(cè)試數(shù)量，提高檢測(cè)與標(biāo)定效率。

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Design of multiple parameters automatic test system for multi-channel pressure sensor

TANG Sheng-wu， LI Bing-bing， WANG Xu

(49th Research Institute，China Electronic Technology Group Corporation,Harbin 150001，China)

A pressure sensor automatic test system is designed for measurement of multi-channel sensors and multiple parameters.A multi-function matrix switch circuit is designed with a high-precision data collector to achieve function of switch and measurement;using LabVIEW design upper computer software to achieve function of display and calculation and report of calibration data,temperature compensation data,time drift data.Experiment shows that the system can measure parameters such as bridge voltage,resistance and current of 90 pressure sensors, and meet detection and verification needs for mass production of pressure sensor with precision of 1 %～0.1 % and verification process.

multi-channel; multiple parameters; pressure sensor; matrix switch; automatic test system(ATS)

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0064—03

2014—09—12

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0064—03

唐勝武(1979-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅骷捌錅y(cè)試技術(shù)。