周彥凱，姚文穎，姜會(huì)菊

（石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，石家莊 050208）

0 引言

電阻應(yīng)變式壓力傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域[1]，應(yīng)變片性能容易受到溫度變化的影響，需要在產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)進(jìn)行測(cè)量并加以補(bǔ)償[2]，以實(shí)現(xiàn)傳感器全溫度范圍內(nèi)的性能優(yōu)化。在某型電阻應(yīng)變式壓力傳感器修理過(guò)程中，溫度測(cè)試以人工方式進(jìn)行，測(cè)試效率低、人員占用高，本文以LabVIEW軟件為基礎(chǔ)[3]，通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)該型傳感器的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，為類(lèi)似原理傳感器的修理提供了參考依據(jù)。

1 測(cè)試需求

該電阻應(yīng)變式壓力傳感器以惠斯通電橋[4]（如圖1）為基礎(chǔ)，電橋由4組阻值相等的應(yīng)變片組成，Ui為穩(wěn)定的直流電壓源，為傳感器提供電源輸入，Uo為傳感器的輸出電壓。在壓力傳感器不受力時(shí)，電橋中各電阻分壓相同，電路輸出為0；當(dāng)壓力傳感器受到外界壓力作用時(shí)，應(yīng)變片阻值改變，使電橋失去平衡，輸出電壓為U0=(Δr/R) Ui。當(dāng)輸入電壓Ui為定值時(shí)，輸出電壓U0與電阻變化量Δr成比例。應(yīng)變片將壓力產(chǎn)生的微小形變量，轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片阻值的變化，最終以電壓的形式輸出，實(shí)現(xiàn)壓力到電壓的線(xiàn)性輸出。

測(cè)試系統(tǒng)在完成性能數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、輸出，并對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行判斷。傳感器測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試需求如下。

1）多通道傳感器電壓測(cè)試。該壓力傳感器為多余度傳感器，測(cè)試系統(tǒng)至少需要完成8路模擬電壓采集，電壓范圍為-10～10 V，精度為1%。

2）傳感器穩(wěn)定性測(cè)試。在產(chǎn)品通電的情況下，對(duì)傳感器-55～70 ℃溫度范圍內(nèi)的性能進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證傳感器全溫度范圍性能。

3）電源自動(dòng)加載控制功能。為實(shí)現(xiàn)傳感器性能的全自動(dòng)測(cè)試，需要測(cè)試系統(tǒng)能夠在測(cè)試過(guò)程中對(duì)傳感器電源的加載、切斷進(jìn)行控制。

4）實(shí)現(xiàn)各溫度下數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)試。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)搭建，完成傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、保存功能，以及友好的人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)和性能的需求分析，結(jié)合實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、模塊化等要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓力傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 工控機(jī)

工控機(jī)作為測(cè)試系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集模塊控制、電源控制模塊的控制、人機(jī)交互接口設(shè)置，以及最終數(shù)據(jù)打印輸出等功能。其選型主要考慮外部接口數(shù)量、類(lèi)型、性能等因素。綜合市場(chǎng)上現(xiàn)有的工控機(jī)生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品，選擇ADLINK品牌下的MXC-6321D系列工控機(jī)，采用Intel i7處理器，DDR3 4GB內(nèi)存條，具備多個(gè)USB、RS232、RS485等工業(yè)控制接口，能夠?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)建立提供廣泛的硬件基礎(chǔ)。

2.2 直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源用于為傳感器提供穩(wěn)定、純靜的電源，需滿(mǎn)足傳感器對(duì)電壓范圍、功率、紋波等特性的要求。系統(tǒng)選用華睿電子的HR-115直流穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓輸出范圍為直流0～30 V，恒流值0～100 A，能夠滿(mǎn)足傳感器對(duì)電源的要求。

2.3 電源控制模塊

電源控制模塊用于接收工控機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)傳感器電源通斷控制。本系統(tǒng)選用集智達(dá)公司的RemoDAQ-8068繼電器控制模塊。該模塊為8路繼電器控制模塊，具備RS-485控制端口，內(nèi)置專(zhuān)用控制命令集，能夠通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各繼電器的分時(shí)控制要求，觸點(diǎn)具有30 V時(shí)2 A的分?jǐn)嗄芰?，能夠滿(mǎn)足傳感器電源分?jǐn)嘁蟆?/p>

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是將傳感器輸出的電壓值轉(zhuǎn)化為工控機(jī)可以直接處理的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)前數(shù)據(jù)采集方式主要分為兩種：1）采用通用數(shù)據(jù)采集單元，該方式具有模塊化程度高、配置簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、測(cè)量類(lèi)型多、控制接口配置簡(jiǎn)便等特點(diǎn)；2）采用嵌入式采集板卡，其占用系統(tǒng)空間小，采集速度快，通道集成度高，但安裝、配置過(guò)程較復(fù)雜?？紤]盡量使系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用、維護(hù)方便，本系統(tǒng)采用安捷倫公司的34972A數(shù)據(jù)采集/切換單元與34901A多路復(fù)用器結(jié)合，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。34972A內(nèi)置6位半數(shù)字多用表，單通道讀取速度為每秒500個(gè)讀數(shù)，掃描范圍高達(dá)250個(gè)通道，配備通用RS-232串行接口，便于遠(yuǎn)程控制；34901A具有20個(gè)通道的多路復(fù)用功能，輸入最大電壓為300 V，輸入最大電流為1 A，最大切換功率為50 W。該配置在滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的前提下，能夠有效地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，增加系統(tǒng)可靠性。

2.5 高低溫箱

高低溫箱的選擇主要考慮溫度范圍、精度、程控性等。系統(tǒng)選用德國(guó)進(jìn)口賓得MKT115型高精度冷熱測(cè)試箱，其溫度范圍為-70～180 ℃，溫度精度為±2 ℃，采用微電腦程控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制功能，可以配合自動(dòng)測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度性能測(cè)試的全自動(dòng)化。

2.6 硬件系統(tǒng)搭建

通過(guò)系統(tǒng)硬件選型，建立壓力傳感器溫度性能測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)備布局如圖3所示?？紤]人體力學(xué)和操作方便性，將顯示和操縱結(jié)構(gòu)置于機(jī)柜的中央，打印機(jī)放置于工控機(jī)下方，方便頻繁取放紙張。

圖3 系統(tǒng)設(shè)備布局圖

3 傳感器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集控制程序、直流電源控制程序、數(shù)據(jù)報(bào)表生成程序和溫度測(cè)試主程序等部分組成。程序以LabVIEW 圖形化語(yǔ)言[5-10]為基礎(chǔ)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)程序的封裝，提高模塊的復(fù)用性。

3.1 數(shù)據(jù)采集控制程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制程序主要用于34972A數(shù)據(jù)采集/切換單元的控制，通過(guò)RS-232接口對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行狀態(tài)的設(shè)置，并發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令、讀回?cái)?shù)據(jù)采集結(jié)果，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理并封裝，以便在主程序中進(jìn)行調(diào)用。數(shù)據(jù)采集控制程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制程序流程圖

3.2 直流電源控制程序設(shè)計(jì)

直流電源控制程序主要完成電源通斷控制。電源控制模塊RemoDAQ-8068采用RS-485串口進(jìn)行控制，控制程序流程如圖5所示。

圖5 直流電源控制程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)報(bào)表程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)報(bào)表程序的主要功能是將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化輸出，以便后期打印存檔。本系統(tǒng)采用Excel和ActiveX 相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表。以Excel為模板，通過(guò)ActiveX 接口完成數(shù)據(jù)的寫(xiě)入操作，該方法無(wú)需購(gòu)買(mǎi) LabVIEW專(zhuān)用插件，在安裝Office的系統(tǒng)上就可使用，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。數(shù)據(jù)報(bào)表流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)報(bào)表程序流程圖

3.4 壓力傳感器溫度性能測(cè)試主程序設(shè)計(jì)

壓力傳感器溫度性能測(cè)試程序需要對(duì)壓力傳感器全溫度范圍內(nèi)的溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)溫度點(diǎn)需要先完成保溫存儲(chǔ)，使傳感器溫度穩(wěn)定，再對(duì)傳感器進(jìn)行通電、測(cè)量，測(cè)量完成后關(guān)閉電源，然后溫箱進(jìn)入下一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行保溫，直到完成所有的溫度點(diǎn)測(cè)試。根據(jù)不同需求，將溫度測(cè)試分為高溫測(cè)試、低溫測(cè)試和高低溫測(cè)試3種方式。具體流程如圖7所示。

圖7 壓力傳感器溫度性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

在測(cè)試系統(tǒng)硬件搭建和軟件編寫(xiě)完成后，對(duì)硬件參數(shù)進(jìn)行配置，并通過(guò)軟件對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行測(cè)試、驗(yàn)證，各模塊性能正常。通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證，軟硬件各項(xiàng)性能能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。采用壓力傳感器產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，壓力傳感器溫度性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的功能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

基于電阻應(yīng)變式壓力傳感器原理和LabVIEW可視化程序語(yǔ)言，建立某型壓力傳感器溫度性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器全溫度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)量、報(bào)表生成及數(shù)據(jù)打印輸出等功能，有效提高了壓力傳感器溫度測(cè)試的效率。該系統(tǒng)建立過(guò)程由硬件設(shè)計(jì)和軟件編程兩部分組成，具有較高的硬件靈活性和軟件擴(kuò)展性，可根據(jù)不同的測(cè)試需求對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、分析和報(bào)表輸出等操作進(jìn)行靈活擴(kuò)展，便于其他傳感器測(cè)試人員開(kāi)展針對(duì)性的測(cè)試工作。