魏榕山，吳司熠

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

基于LabVIEW的MEMS傳感器自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)

魏榕山，吳司熠

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

MEMS傳感器輸出特性受溫度影響大，需標(biāo)定校準(zhǔn)之后方可使用。人工標(biāo)定校準(zhǔn)存在耗時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)可靠性低和精度不佳的缺點(diǎn)。文中提出一種基于LabVIEW的傳感器的自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)，結(jié)合多項(xiàng)式擬合法實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)校準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)使標(biāo)定過(guò)程自動(dòng)化，縮短了標(biāo)定時(shí)間，提高了傳感器數(shù)據(jù)精度和可靠性,誤差保持在0.49%以?xún)?nèi)，滿足實(shí)際的需求。

傳感器；標(biāo)定校準(zhǔn)；擬合；LabVIEW

MEMS傳感器主要由MOS管組成，由于MOS管材料的物理特性及其制造工藝的因素，MEMS傳感器的輸出特性受溫度影響較大，輸出特性的不理想因素主要有零點(diǎn)誤差、靈敏度誤差以及非線性誤差，這些誤差需通過(guò)后接調(diào)理電路得以校準(zhǔn)。標(biāo)定過(guò)程中，需要用到如溫箱、壓力源等標(biāo)定設(shè)備，此類(lèi)設(shè)備大都采用PID控制，到達(dá)預(yù)設(shè)值并且穩(wěn)定花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。標(biāo)定過(guò)程需測(cè)量的點(diǎn)數(shù)較多，人工讀取測(cè)量值存在一定的觀測(cè)誤差，步驟效率低且可靠性不高。

本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一款傳感器的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，結(jié)合多項(xiàng)式擬合法將溫度信息與傳感器的輸出特性完成數(shù)據(jù)融合進(jìn)行信號(hào)校準(zhǔn)，能自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)傳感器，縮短標(biāo)定校準(zhǔn)的時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)精度。

1 自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由LabVIEW開(kāi)發(fā)的控制標(biāo)定過(guò)程的軟件安裝在PC機(jī)上，將信號(hào)調(diào)理電路的校準(zhǔn)算法寫(xiě)入MCU軟核(本文將MCU軟核燒入至FPGA開(kāi)發(fā)板驗(yàn)證)。PC機(jī)通過(guò)RS232串口與標(biāo)定的儀器設(shè)備、數(shù)字萬(wàn)用表以及FPGA相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作原理是：PC機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制用于標(biāo)定的相關(guān)儀器設(shè)備產(chǎn)生物理量，并不停監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的物理量是否達(dá)到預(yù)定值，達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定在該值一段時(shí)間以后，PC機(jī)控制數(shù)字萬(wàn)用表采集傳感器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳回PC機(jī)中，此時(shí)標(biāo)定的儀器設(shè)備的標(biāo)定值和數(shù)字萬(wàn)用表采集的傳感器的測(cè)量值即為一組點(diǎn)。之后，PC機(jī)重復(fù)以上過(guò)程直至采集夠所需點(diǎn)數(shù)即可。采集數(shù)據(jù)完畢以后，將存儲(chǔ)于PC機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸至FPGA中的MCU軟核上，通過(guò)MCU中的校準(zhǔn)算法計(jì)算出若干個(gè)用于校準(zhǔn)的回歸系數(shù)并存儲(chǔ)在ROM中，最后，通過(guò)PC機(jī)將之前數(shù)字萬(wàn)用表采集的傳感器測(cè)量值的數(shù)據(jù)點(diǎn)傳輸至MCU，MCU通過(guò)存儲(chǔ)在FPGA的ROM中的回歸系數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的校準(zhǔn)值，將其與標(biāo)定值比對(duì)，做誤差分析，評(píng)價(jià)擬合優(yōu)度，若達(dá)到預(yù)定指標(biāo)則評(píng)價(jià)此次標(biāo)定校準(zhǔn)合格，結(jié)束整個(gè)進(jìn)程，若未達(dá)標(biāo)，則重復(fù)上述過(guò)程直至達(dá)到誤差分析的預(yù)定指標(biāo)。

2 基于LabVIEW的標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)

軟件的流程如圖2所示。工作流程為：首先，連接好PC機(jī)和所有設(shè)備，設(shè)置標(biāo)定點(diǎn)和其他相關(guān)參數(shù)。軟件通過(guò)RS232串口發(fā)出控制信號(hào)控制儀器設(shè)置第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的值，每隔一段固定時(shí)間發(fā)送詢(xún)問(wèn)信號(hào)監(jiān)測(cè)儀器是否達(dá)到穩(wěn)定值，若達(dá)到則給數(shù)字萬(wàn)用表發(fā)送控制信號(hào)采集此刻傳感器數(shù)據(jù)，然后重復(fù)以上步驟至完成正反行程的測(cè)量。接著將存儲(chǔ)在PC機(jī)中的點(diǎn)傳送給MCU進(jìn)行校準(zhǔn)算法的回歸系數(shù)計(jì)算，并將參數(shù)存儲(chǔ)在ROM中。最后將PC機(jī)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)傳送給FPGA進(jìn)行校準(zhǔn)，將返回的校準(zhǔn)值與儀器的標(biāo)定值進(jìn)行比對(duì)和誤差分析，做擬合優(yōu)度的評(píng)價(jià)，若滿足預(yù)定指標(biāo)則結(jié)束此次標(biāo)定校準(zhǔn)過(guò)程；若未滿足，則修改參數(shù)設(shè)置開(kāi)始新的標(biāo)定校準(zhǔn)過(guò)程直至滿足指標(biāo)為止。

圖2 軟件的工作流程圖

軟件包含3個(gè)模塊：

(1)參數(shù)設(shè)置模塊。標(biāo)定儀器設(shè)備的端口號(hào)、采樣的點(diǎn)數(shù)和預(yù)定采樣值、監(jiān)測(cè)狀態(tài)下兩次采樣的間隔時(shí)間和允許的誤差，為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交互做好準(zhǔn)備[1]，該部分程序框圖如圖3所示；

圖3 參數(shù)設(shè)置模塊程序圖

(2)標(biāo)定過(guò)程控制與數(shù)據(jù)保存記錄模塊。傳感器的標(biāo)定需正反行程分別測(cè)量并保存，該模塊實(shí)現(xiàn)的功能是控制并監(jiān)測(cè)所有的設(shè)備，并在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)采集標(biāo)定儀器的值和數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量值保存在軟件界面中，其數(shù)據(jù)可導(dǎo)出以方便記錄和更深入的數(shù)據(jù)處理，部分程序框圖如圖4所示，其中DACQ為標(biāo)定設(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)，D2MCU為數(shù)據(jù)保存與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)；

圖4 過(guò)程控制模塊部分程序圖

(3)誤差分析和擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)模塊。讀取經(jīng)過(guò)FPGA的信號(hào)調(diào)理電路的校準(zhǔn)算法校準(zhǔn)過(guò)的測(cè)量值，對(duì)該校準(zhǔn)值進(jìn)行誤差分析，得出殘差平方和SSE[2]、均方根誤差RMSE和確定系數(shù)R2幾個(gè)擬合優(yōu)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。

3 信號(hào)調(diào)理電路的校準(zhǔn)程序算法

現(xiàn)今傳感器的校準(zhǔn)算法有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4-6]、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7-9]、二元插值法[9-11]、曲面曲線擬合法[12-13]、查表法、三次樣條法[14]等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法精度佳，但需大量樣本點(diǎn)，功耗成本大，查表法占用內(nèi)存空間大，均不適用于工程。適用于MCU的算法中，多項(xiàng)式擬合法系數(shù)最少、計(jì)算量小且精度較高。本文中采用多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行溫度信息與壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)融合，擬合的多項(xiàng)式以系數(shù)形式存在ROM[15]中，在需要校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)只要MCU調(diào)用ROM中的系數(shù)與測(cè)量值做定量的運(yùn)算即可，適用于MCU的工程應(yīng)用。

本文中，實(shí)驗(yàn)采用溫度傳感器PT100和壓力傳感器MPXV2010DP兩款分別驗(yàn)證[16]，以下著重闡述壓力傳感器的校準(zhǔn)。傳感器理想輸出特性為輸出信號(hào)與物理量大小成比例的過(guò)零點(diǎn)的曲線，然而由于物理材料的特性，其輸出特性曲線如圖5所示，不同溫度下的特性曲線均不相同，存在零點(diǎn),靈敏度和非線性度誤差，很難達(dá)到理想需求。

圖5 不同溫度下的傳感器輸出特性曲線

在算法中，通過(guò)標(biāo)定3組點(diǎn)，即3個(gè)不同溫度和壓力環(huán)境下共計(jì)9個(gè)點(diǎn)的傳感器輸出，可分別擬合3個(gè)不同溫度下的輸出特性曲線，每條曲線均有不同的零點(diǎn)、靈敏度誤差，由3條曲線可以得出3組零點(diǎn)、靈敏度誤差的值，3點(diǎn)可擬合一條二次項(xiàng)的曲線，故可得到零點(diǎn)和靈敏度關(guān)于溫度的二次方程，如式(1)和式(2)所示

OFF=off3·T2+off1·T+off0

(1)

SENS=sens2·T2+sens1·T+sens0

(2)

Vt=(Vin-OFF)·SEN

(3)

將所有輸入Vin經(jīng)過(guò)零點(diǎn)和靈敏度如式(3)校準(zhǔn)以后，3條曲線都交疊在過(guò)零點(diǎn)的曲線上。最后非線性度校準(zhǔn)只需利用反非線性函數(shù)進(jìn)行擬合[17-18]，可得二次校準(zhǔn)方程如式(4)所示,完成溫度信息與壓力傳感器輸出的數(shù)據(jù)融合，即可得校準(zhǔn)結(jié)果

(4)

4 校準(zhǔn)結(jié)果和誤差分析

實(shí)驗(yàn)選用兩款傳感器，分別為溫度傳感器PT100和壓力傳感器MPXV2010DP。溫箱采用銳迪科儀的RDB-150D，壓力源采用Mensor公司的PCS400。在PT100的標(biāo)定校準(zhǔn)過(guò)程中，3個(gè)標(biāo)定點(diǎn)分別為-20 ℃，20 ℃和60 ℃，測(cè)得傳感器的輸出和經(jīng)過(guò)FPGA中信號(hào)調(diào)理電路校準(zhǔn)后得到的校準(zhǔn)值結(jié)果如表1所示。

表1 溫度傳感器輸出特性及校準(zhǔn)值

壓力傳感器MPXV2010DP的標(biāo)定中，預(yù)設(shè)3個(gè)溫度點(diǎn)為0 ℃，30 ℃，60 ℃，3個(gè)壓力點(diǎn)為0 kPa，4 kPa，8 kPa，測(cè)得的輸出特性如圖6所示，校準(zhǔn)后擬合結(jié)果如表2所示。

圖6 壓力傳感器的輸出特性標(biāo)定數(shù)據(jù)

壓力點(diǎn)/kPa溫度標(biāo)定點(diǎn)/℃030600-00371-00344-0039543985139893396118801738019179853

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，溫度傳感器PT100的經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后傳感器輸出值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差為0.01 ℃。壓力傳感器MPXV2010DP的擬合結(jié)果RMSE為0.011 76，確定系數(shù)R2為0.999 6，擬合效果較好。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)后的最大誤差為

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于LabVIEW的MEMS傳感器自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)溫度和壓力兩款傳感器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度在0.49%以?xún)?nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，而且利用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)極大地縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期、減少了人工操作的步驟，節(jié)省了時(shí)間和人力成本，提高了校準(zhǔn)的效率和精度，具有一定的推廣和工程應(yīng)用價(jià)值。

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Auto Calibration System for Sensors Based on LabVIEW

WEI Rongshan,WU Siyi

(School of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China)

MEMS sensors′ output characteristics are greatly influenced by temperature, and they only can be put into use after calibration. The manual operation is of low-reliability, poor-precision and time-consuming. This paper puts forward an auto calibration system for MEMS sensors and realizes the sensor signal calibration with polynomial fitting method. The experiments showed that this design made the calibration process automatic, shortened the time of calibration and improved the precision and reliability, and its error kept within 0.49% that met practical needs.

sensor;calibration;fitting of a polynomial;LabVIEW

2017- 03- 03

國(guó)家自然科學(xué)基金(61404030)

魏榕山(1980-)，男，博士，副教授。研究方向：微納電子器件與集成電路設(shè)計(jì)。吳司熠(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN432

A

1007-7820(2018)02-048-04