牛萍萍

（陜西職業(yè)技術學院 陜西 西安 710100）

基于LabVIEW設計的建筑壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

牛萍萍

（陜西職業(yè)技術學院 陜西 西安 710100）

在傳感器設計過程中壓阻式壓力傳感器存在的主要問題是溫度飄移和非線性問題，這種問題影響傳感器性能的發(fā)揮，所以必須對傳感器實施性能補償，彌補測量誤差。本文主要通過設計一種LabVIEW壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)來完善感器校準功能，利用軟件設置和硬件設計，并通過反復的實驗證明校準裝置的精確度和穩(wěn)定性，以便設計出高性能的傳感器校準系統(tǒng)。實驗結果表明該系統(tǒng)能夠滿足壓阻式壓力傳感器穩(wěn)定性和精確度，并使其穩(wěn)定性和精確度提高了72%、76%。

LabVIEW；壓阻式；壓力傳感器；校準系統(tǒng)

LabVIEW式壓阻式壓力傳感器具有其他傳感器所所沒有的性能，比如其具有較高的靈敏度和精確度，而且體積比較小，可靠性高，被廣泛應用于石油化工、航天航空領域。壓阻式壓力傳感器在應用過程中存在溫度補償和非線性樣式問題，一般系統(tǒng)會通過軟件和硬件兩種方式實施補償設計，提高系統(tǒng)對溫度飄移和非線性的控制。

文中主要利用LabVIEW設計對壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)進行設計和實驗，以便提高其應用性能。

1 系統(tǒng)概括

壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)是一種基于LabVIEW的傳感器輸出校準模塊，能夠應用于各種傳感器輸出系統(tǒng)的修正和補償中，并采用上下位機方式構建智能校準系統(tǒng)，并按照一定的系統(tǒng)設計方式進行修正分析，壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)總體框架見圖1。

系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)上位機發(fā)動出采集命令后，上位機實施命令節(jié)接受和分析，并在此過程中完成溫度和壓力的處理，然后將分析后的數(shù)據(jù)上傳到上位機中。上位機對下位機采集的新型號進行規(guī)范化處理，并計算擬合系數(shù)，并將階段結果發(fā)送到下位機系統(tǒng)中，最后下位機將信息存儲為傳感器中加以修正處理。

圖1 壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)總體框架

2 傳感器系統(tǒng)硬件選型和校對

2.1 傳感器選型

本次研究采用的壓力傳感器為NS-WL1型壓阻式拉壓傳感器，此傳感器采用的結構為懸臂剪切結構，這種結構的傳感器具有較高的穩(wěn)定性和精確度，安裝起來比較簡單，工藝成熟度高。其主要技術指標如下：額定電壓：0～12 V，額定輸出電壓：0～5 V，荷載：500 kg；精確度：0.05%，零點輸出：＜±1，非線性≤±0.02，重復性≤±0.021。

2.2 傳感器校準機構設計

一般情況下，基于LabVIEW設計的壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)的設計有較大的線性范圍，在測量儀表的輸出和輸入量之間存在線性關系，這種關系能夠保證儀表在整個測量范圍內(nèi)具有相同的靈敏度，有利于信息的處理和讀取。壓力傳感器在非電量測量中一般利用各種類型的傳感器進行電量轉(zhuǎn)換，在實際轉(zhuǎn)換過程中由于受多方面因素的限制，可能會存在誤差，為了保障測量儀表輸出系統(tǒng)之間的線性關系，必須對傳感器進行非線性補償，補償系統(tǒng)各種誤差。壓力傳感器的校準硬件一般采用杠桿式載荷，結合計量學性能進行杠桿組合，結合國家規(guī)定的校對標準實施校準分析，將壓力傳感器的載荷進行分析、校準。

3 傳感器校準系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

本次研究采用的是NI公司生產(chǎn)的一種數(shù)據(jù)采集卡6024E，并將其作為數(shù)據(jù)采集設備進行分析，通過LabVIEW6.0軟件實施數(shù)據(jù)采集和顯示。利用這種方法進行系統(tǒng)分析的過程中我們主要采用對數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)字化分析，包括對通道、設備好評及采樣率的分析。數(shù)據(jù)采集一般會通過信號條理分析后被保存在磁盤中，傳感器的活動長度被改變以后記錄下校準程序的電壓值進行下一步的分析。傳感器安裝在校準機構上后利用數(shù)據(jù)采集卡進行信號模擬分析，首先對數(shù)據(jù)采集實施初始化設置，每次對壓力傳感器活動桿長度記錄下以后，要及時記錄電壓值數(shù)據(jù)，最后進行標定結果分析，并得出校準方程式。

3.2 信號調(diào)理分析

傳感器在工作過程中輸出的模擬信號相對比較微弱，所以在分析的過程中應該將信號進行調(diào)理分析，將原有的信號放大至A/D范圍內(nèi)，便于以后實施傳感器數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)單片機內(nèi)具有編程增益放大器作用，能夠?qū)DC進行放大輸入，能夠設置的放大倍數(shù)有2、4、6、16、64等。本次研究的壓力傳感器一般為2 mV/V，橋壓一般為10 V，輸出電壓設定為20 mV，PGA的放大倍數(shù)一般設置為8。

3.3 通訊接口設計分析

系統(tǒng)總線一般選擇RS485型號，然后利用差分接收器和平衡驅(qū)動器聯(lián)合的方式實施數(shù)據(jù)傳輸處理，這種方式的應用能夠提高系統(tǒng)抗共模干擾的能力，使系統(tǒng)具有很好的抗噪聲和抗干擾性，提高系統(tǒng)性能。而信號采集裝置一般采用的是RS485總線，利用這個總線數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)傳輸和通信信號的完成，這個過程信號命令的接受一般是通過通訊接口實現(xiàn)，在此基礎上完成相應的數(shù)據(jù)操作，然后再次利用通信接口完成數(shù)據(jù)采集傳輸功能，以便能夠順利的實現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C或者是其他設備上。

3.4 系統(tǒng)電源電路設計分析

此系統(tǒng)的信號采集裝置一般采用的是可充電的鋰電池形式，在這個電源系統(tǒng)中給裝置內(nèi)各個模塊的元件器提供工作電壓，而信號采集裝置一般采用的是低工作電壓形式完成工作電壓的測量，整個裝置需要的電壓值為+5 V、+3.3 V，這個電壓的裝置的采用能夠很好的降低信號采集裝置的功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，降低外界對系統(tǒng)運行的干擾。

3.5 溫度傳感器

系統(tǒng)在運行的過程中可能對溫度飄移實施補償處理，在處理過程中可以測量傳感器所在環(huán)境的值，并在此基礎上將這個測量值傳輸?shù)缴衔粰C上，上位機完成校準后測量系統(tǒng)問題，以便能夠利用這種東東修正傳感器壓力輸出值。一般情況下，系統(tǒng)運行中溫度測量采用集成數(shù)字溫度傳感器的方法實現(xiàn)。

3.6 下位機程序設計

利用SL公司生產(chǎn)的集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)平臺進行分析，同時利用圖形化配置軟件對各個系統(tǒng)模塊進行配置分析。程序配置一般包括數(shù)據(jù)采集處理、串口中斷分析、數(shù)據(jù)處理和主程序處理等等，程序流程圖見圖2。在程序分析匯總首先對串口中斷中接收到的數(shù)據(jù)進行詳細的分析，在有效操作命令下將位置標志傳遞到主程序中，以便能夠在主程序中完成相應的操作命令，完成以后將標識位清除干凈。下位機的有效命令為校準命令，其中校準命令又可以分為溫度采集、壓力采集以及修正分析，利用這些程序完整個下位機的分析和壓力值的讀取。

圖2 下位機程序流程圖

3.7 上位機分析

基于LabVIEW的函數(shù)庫中提供了串口通訊函數(shù)，這種函數(shù)分析能夠很好的升級下位機與PC機的串口通訊。在分析過程中我們使用的通訊協(xié)議一般是：密碼字+地址+數(shù)據(jù)域+結束字，數(shù)據(jù)位：8，在分析的過程中沒有奇偶校對分析。上位機的工作流程：首先是命令的發(fā)送，上位機向下位機發(fā)送命令，下位機采集命令信息后，上位機會從串口讀取信息，并返回主程序繼續(xù)執(zhí)行信息的查詢。串口通信程序一般是規(guī)范化多項擬合分析，在此基礎上完成這個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析。

3.8 信號電路設計

一般情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境比較復雜，各種干擾信息可能會影響數(shù)據(jù)采集的準確性的提高，并且實驗數(shù)據(jù)采集頻率比較低，這種采集方式容易減少對高頻數(shù)據(jù)的分析，所以在數(shù)據(jù)采集的過程中一般需要進行低通濾波處理和巴特沃斯處理，這種處理方法頻特性比較好，而且具有很好的幅度特性。同時我們應該注意在采集的過程中處理數(shù)據(jù)信息的準確性，通常情況下我們?yōu)榱藴p少計算機的數(shù)據(jù)分析量，需要對采集的數(shù)據(jù)進行低通濾波處理，然后分析其壓力和位置。

4 實驗應用分析

本次試驗應用分析我們采用某建筑公司實施的某型號壓阻式傳感器零點熱漂移修正為例進行分析，首先我們分別測量傳感器在-5℃～80℃環(huán)境下的輸出電壓，在這種情況下我們能夠得到一個熱漂移擬合方程：

然后我們能夠根據(jù)此公式得到一個零點熱漂移擬合曲線，根據(jù)擬合曲線分析列出零點熱漂移修正，然后根據(jù)修正后的傳感器分析標準誤，標準誤的分析要根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)進行計算，由表1可以看出本次試驗在0～50℃環(huán)境下，零點熱漂移的修正誤差一般為5%。

表1 試驗和誤差分析

5 結 論

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)基于LabVIEW壓阻式傳感器校準專職能夠比較準確的得到傳感器的壓力回歸方程，從而實現(xiàn)壓力信號的高精度采集，然后我們利用數(shù)字式溫度傳感器測量其溫度，利用這種電路板輕便、小巧的測量方式能夠很好的完整整個電路的設計工作，同時能夠很好的降低數(shù)據(jù)采集成本。經(jīng)過一系列的調(diào)試，其壓力和精度的采集和數(shù)據(jù)傳輸能夠達到設計要求，從而能夠很好的滿足壓力傳感器的設計需求，而且這種方法能應用于其他傳感器的溫度補償中。所以說利用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)實系統(tǒng)能夠比較方便的完成信息采集和數(shù)據(jù)分析，提高傳感器分析精確度。

[1]張爾利，劉學軍，劉存香，等.基于虛擬儀器的壓阻式壓力傳感器校準系統(tǒng)的設計開發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2009，31（7）:66-68.

[2]沈金鑫，夏靜.硅壓阻式壓力傳感器智能校準系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2014，（3）:1-3.

[3]張文.壓阻式壓力傳感器的溫度誤差補償技術及虛擬儀器的組建[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2004.

[4]王遠煥.基于LabVIEW虛擬儀器襪品壓力測試系統(tǒng)開發(fā)及應用[D].上海：東華大學，2007.

[5]王雷.MEMS壓阻式壓力傳感器批量測試研究[D].南京：東南大學，2012.

[6]楊麗娜，谷立臣.虛擬儀器在液壓動力系統(tǒng)壓力測試中的應用[J].中國測試，2009，35（4）:94-96.

[7]孫馬馳.車用壓力傳感器自動化校準系統(tǒng)的設計[D].杭州：中國計量學院，2014.

[8]楊曉亞.基于LabVIEW的虛擬服裝壓測量系統(tǒng)開發(fā)[D].上海：東華大學，2014.

[9]張武.基于LabVIEW的接觸壓力分布測試系統(tǒng)[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2011.

[10]侯文生，何琳，彭承琳等.一種手指力量檢測裝置的設計[C].//中國儀器儀表學會醫(yī)療儀器分會第四次全國會員代表大會暨2009年學術年會論文集，2009:54-58.

[11]文沛先.轉(zhuǎn)移阻抗法測試射頻襯墊屏蔽效能測試系統(tǒng)的研究[D].南京：東南大學，2006.

[12]湯海泓.基于虛擬儀器的多通道壓力測試儀的開發(fā)[D].成都：四川大學，2004.

[13]郜婷婷.電子測試技術虛擬實驗室的研究[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學，2011.

[14]張文竹.基于數(shù)據(jù)融合技術的智能壓力傳感器研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012（14）:4-7.

[15]劉永濤，徐大誠，郭述文.一種硅壓阻式壓力傳感器溫度補償算法及軟件實現(xiàn) [J].現(xiàn)代電子技術，2013（12）:18-20，24.

Design and implementation of the calibration system of the building pressure resistance type pressure sensor based on LabVIEW

NIU Ping-ping
（Shaanxi Vocational and Technical College，Xi'an 710100，China）

In the sensor design process the main problems exist piezoresistive pressure sensor temperature drift and nonlinear problems that affect the play sensor performance，it is necessary to implement the compensation performance of the sensor，to compensate measurement errors.In this paper，through the design of a LabVIEW piezoresistive pressure sensor calibration system to improve the sensor calibration function，set using software and hardware design，and by the accuracy and stability of repeated experiments show that the calibration device，in order to design high-performance sensors calibration system.Experimental results show that the system can meet the piezoresistive pressure sensor stability and accuracy，and it improves the stability and accuracy of 72%，76%.

LabVIEW；piezoresistive；pressure sensor；calibration system

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0178-03

2016-02-28稿件編號：201602177

牛萍萍（1986—），女，安徽六安人，碩士研究生，助教。研究方向：建筑安全。