黃艷，朱升賀，趙萌，高堇頔，劉順海，鄒璉

（南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司，南京 210006）

引言

直線位移傳感器（以下簡(jiǎn)稱電位器）用于將測(cè)試對(duì)象的直線位移線性地轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出，作為伺服系統(tǒng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置閉環(huán)信號(hào)。目前電位器需測(cè)試極性、零位重合性、波形、直流電阻、絕緣電阻等項(xiàng)目。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是利用可編程電源給電位器正負(fù)端加電，再通過(guò)轉(zhuǎn)接裝置一一接入示波器、數(shù)字萬(wàn)用表等測(cè)試設(shè)備開展不同項(xiàng)目的測(cè)試，并分別通過(guò)游標(biāo)卡尺和絕緣電阻儀測(cè)試有效行程及絕緣電阻。測(cè)試過(guò)程中，需人工多次插拔轉(zhuǎn)接線，一方面測(cè)試過(guò)程繁瑣復(fù)雜，另一方面測(cè)試效率較低，且可能因人工接線錯(cuò)誤產(chǎn)生質(zhì)量隱患。隨著電位器生產(chǎn)數(shù)量的急劇增加，純手工測(cè)試方法已無(wú)法滿足批量化的測(cè)試需求。同時(shí)，目前電位器需單獨(dú)設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)開展壽命試驗(yàn)，且試驗(yàn)過(guò)程中需手動(dòng)加載電壓，一方面增加了投入和維護(hù)成本，另一方面無(wú)法精確控制試驗(yàn)要求。因此，需開展電位器的自動(dòng)化測(cè)試及壽命試驗(yàn)的集成研究。

目前國(guó)內(nèi)外在自動(dòng)化測(cè)試和壽命試驗(yàn)系統(tǒng)方面開展了廣泛的研究。Sun R 等[1]利用LabVIEW 開發(fā)軟件開發(fā)了一套溫度傳感器的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；Silveira D D 等[2]設(shè)計(jì)出一種放大器自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；吳瑋[3]等采用基于PXIe 總線的計(jì)算機(jī)虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建出作動(dòng)器的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)；黃焰文[4]采用TestStand 和LabVIEW作為上位機(jī)軟件開發(fā)軟件，結(jié)合嵌入式測(cè)試設(shè)備，基于模塊化設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建了電子產(chǎn)品通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；祝軍生等[5]基于PXIe 總線設(shè)計(jì)了某伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)性自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)；Hu D 等[6]設(shè)計(jì)了一種按鈕功能耐久性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了按鍵疲勞壽命和按鍵力值的自動(dòng)測(cè)試；遲婧[7]結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，提出了一種新的真空斷路器行程參數(shù)測(cè)量方法；王暢等[8]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器視覺(jué)的制動(dòng)踏板行程測(cè)量系統(tǒng)。李紀(jì)強(qiáng)等[9]提出了圖像金字塔分層搜索式檢測(cè)與匹配特征點(diǎn)并擬合邊緣進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量的方法；Yang B[10]提出了一種基線動(dòng)態(tài)可調(diào)的雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)改變基線長(zhǎng)度來(lái)解決不同深度的物體定位問(wèn)題；劉富品等[11]基于超聲電機(jī)設(shè)計(jì)了一種傳感器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)。張又衡[12]研究了以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的車輛繼電器壽命綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。電位器需測(cè)試機(jī)械行程及電氣性能，其中機(jī)械行程無(wú)法通過(guò)儀器儀表直接測(cè)量，需利用視覺(jué)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械行程的自動(dòng)化測(cè)試，而目前已有的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)未結(jié)合測(cè)試電氣性能所需的儀器儀表和測(cè)試行程所需的機(jī)器視覺(jué)機(jī)構(gòu)，無(wú)法覆蓋傳感器的所有測(cè)試項(xiàng)目。同時(shí)，目前的壽命試驗(yàn)系統(tǒng)僅能開展壽命試驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行電位器的性能測(cè)試。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種基于LabVIEW 的直線位移傳感器快速測(cè)試系統(tǒng)。該快速測(cè)試系統(tǒng)不僅可以完成電位器的機(jī)械行程、電氣性能等測(cè)試項(xiàng)目，還可以開展壽命試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)后的性能測(cè)試項(xiàng)目。

1 快速測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

快速測(cè)試系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、測(cè)試工作臺(tái)、測(cè)試硬件、測(cè)試軟件4 部分組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

供電系統(tǒng)為被測(cè)電位器提供電源。由于不同的電位器所加載的電壓不同，因此采用程控可調(diào)電源，滿足不同電位器對(duì)測(cè)試電源的需求。

測(cè)試硬件主要有兩個(gè)功能：

1）安裝并驅(qū)動(dòng)電位器運(yùn)動(dòng)，測(cè)試有效行程，進(jìn)行壽命試驗(yàn)：

2）對(duì)被測(cè)電位器的性能參數(shù)進(jìn)行采集，包括極性、零位重合性、絕緣電阻、直流電阻等。

測(cè)試軟件提供人機(jī)交互界面，一方面輸出相應(yīng)的控制指令，通過(guò)測(cè)試硬件或工作臺(tái)對(duì)電位器提供激勵(lì)信號(hào)；另一方面對(duì)測(cè)試硬件采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，得出測(cè)試結(jié)論，同時(shí)將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)保存。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

快速測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括測(cè)試工作臺(tái)及電控柜，原理圖如圖2 所示。

圖2 硬件原理圖

測(cè)試工作臺(tái)包括夾具、直線電機(jī)、視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。主要功能如下：

1）夾具用以安裝不同型號(hào)電位器，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的兼容測(cè)試；

2）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電位器拉桿在工作臺(tái)上進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以檢測(cè)波形或進(jìn)行壽命試驗(yàn)；

3）視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)通過(guò)相機(jī)定位，捕捉電位器導(dǎo)桿的行程邊緣，并進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)與匹配，進(jìn)行圖像邊緣定位，以測(cè)試機(jī)械行程。

電控柜包括工控機(jī)、可編程電源、數(shù)字萬(wàn)用表、絕緣耐壓儀等。主要功能如下：

1）工控機(jī)通過(guò)通訊接口與可編程電源、數(shù)字萬(wàn)用表、絕緣耐壓儀等進(jìn)行通信。

2）可編程電源提供極性、零位重合性、輸出波形的電源；

3）示波器進(jìn)行波形測(cè)試；

4）數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行零位電壓、直流電阻測(cè)試；

5）絕緣耐壓儀進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LabVIEW 是NI 推出的一種圖形化語(yǔ)言，該應(yīng)用程序廣泛應(yīng)用于測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域，大多數(shù)的主流測(cè)試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)，LabVIEW 中也含有大量的數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理函數(shù)及多種儀器接口，可便捷控制多種硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高集成化、自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)[13,14]。采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 作為測(cè)試系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)，既能提供操作簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，又能有效控制各硬件設(shè)備，同時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和自動(dòng)判讀[15][16]。

為了滿足平臺(tái)通用性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)采用開放式模塊化設(shè)計(jì)并細(xì)化為多個(gè)測(cè)試模塊，可組合不同測(cè)試模塊以完成產(chǎn)品的測(cè)試項(xiàng)目。軟件功能圖如圖3 所示。用戶可在不同測(cè)試模塊的操作頁(yè)面中設(shè)定參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)完成單步測(cè)試。一個(gè)產(chǎn)品的完整項(xiàng)目測(cè)試是由若干子步驟組合完成的。進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)在操作頁(yè)面中設(shè)定試驗(yàn)條件。

圖3 軟件功能圖

3.2 測(cè)試流程

針對(duì)不同型號(hào)的電位器，選用相應(yīng)的測(cè)試夾具。測(cè)試前，先對(duì)測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)行復(fù)位，確保直線電機(jī)保持在中位，接著將電位器安裝到測(cè)試夾具上。打開測(cè)試系統(tǒng)界面，用戶在屏幕上選取電位器對(duì)應(yīng)的程序，并選擇測(cè)試項(xiàng)目。若開展壽命試驗(yàn)，需設(shè)置工作行程、工作次數(shù)、工作頻率、電壓幅值等。

測(cè)試程序先對(duì)硬件系統(tǒng)及各參數(shù)進(jìn)行初始化，確認(rèn)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。然后自動(dòng)對(duì)被測(cè)電位器進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與預(yù)設(shè)的理論值進(jìn)行比較，判斷電位器指標(biāo)是否滿足要求，并實(shí)時(shí)將測(cè)試結(jié)果保存到對(duì)應(yīng)的測(cè)試報(bào)告中。測(cè)試完成后，將電位器測(cè)試的合格情況顯示到人機(jī)交互界面上，同時(shí)點(diǎn)亮面板上相應(yīng)的指示燈。系統(tǒng)測(cè)試流程圖如圖4 所示。

圖4 測(cè)試流程

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

本文提出的直線位移傳感器快速測(cè)試系統(tǒng)目前已成功用于多型號(hào)電位器的測(cè)試。圖4～9 為兩型號(hào)電位器利用該測(cè)試系統(tǒng)的部分測(cè)試結(jié)果及手工測(cè)試結(jié)果。

如圖5 所示，對(duì)比三次系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與手工測(cè)試結(jié)果，型號(hào)1、型號(hào)2 的零位重合性測(cè)試結(jié)果最大差值分別為0.171 mΩ 和0.238 mΩ，最小差值分別為0.153 mΩ和0.085 mΩ。

圖5 零位重合性測(cè)試結(jié)果

視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)捕捉兩邊邊緣并進(jìn)行擬合，完成長(zhǎng)度測(cè)量，如圖6 所示。

圖6 機(jī)械行程邊緣捕捉畫面

機(jī)械行程測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 機(jī)械行程測(cè)試結(jié)果

如圖7 所示，對(duì)比三次系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與手工測(cè)試結(jié)果，型號(hào)1、型號(hào)2 的機(jī)械行程百分偏差最大差值分別為0.02 %和0.067 %，最小差值分別為0.018 %和0.063 %。

目前絕緣電阻主要采用搖表測(cè)試，無(wú)法讀取絕緣電阻的數(shù)值，該快速測(cè)試系統(tǒng)可讀取絕緣數(shù)值。根據(jù)圖8，對(duì)比三次系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，絕緣測(cè)試結(jié)果具備高重復(fù)性。

圖8 絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

如圖9 所示，對(duì)比三次系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與手工測(cè)試結(jié)果，型號(hào)1、型號(hào)2 的系統(tǒng)兩者最大差值分別為1.91 Ω和0.33 Ω，最小差值分別為0.91 Ω 和0.24 Ω，相對(duì)誤差分別在0.048 %和0.027 %左右。

圖9 直流電阻測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖5～9 測(cè)試結(jié)果，快速測(cè)試系統(tǒng)具備以下特征：

1）測(cè)試效率高：采用一次接線的方式，避免了使用多種測(cè)試儀器儀表時(shí)的多次插拔，并實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)試。相比傳統(tǒng)的人工測(cè)試，通過(guò)該快速測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試效率提高了4 倍。

2）測(cè)試重復(fù)性高：同一型號(hào)傳感器所運(yùn)行程序相同，消除了人為操作帶來(lái)的差異性，測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性高。

3）測(cè)試精度高：手工測(cè)試與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差較小，測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差均能控制在0.5 %以內(nèi)，一致性較好，可靠性較高。

4.2 不合格指標(biāo)判讀

在測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)判讀并識(shí)別出某電位器直流電阻指標(biāo)不合格，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)顯示“FAIL”，如圖10 所示。經(jīng)手工測(cè)試核查，該電位器阻值超差，且手工測(cè)試值與系統(tǒng)測(cè)試值相對(duì)誤差較小。

圖10 不合格指標(biāo)判讀頁(yè)面

4.3 壽命試驗(yàn)

在系統(tǒng)中設(shè)置壽命試驗(yàn)的工作行程、工作頻率、工作次數(shù)、電壓幅值等，電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示電位器運(yùn)動(dòng)波形，如圖11 所示。經(jīng)驗(yàn)證，電機(jī)可一次性驅(qū)動(dòng)電位器完成25 萬(wàn)次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了壽命試驗(yàn)的全自動(dòng)化精確控制，并可通過(guò)波形曲線實(shí)時(shí)顯示電位器狀態(tài)。

圖11 運(yùn)動(dòng)波形頁(yè)面

5 總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的電位器人工測(cè)試無(wú)法滿足大批量測(cè)試需求及壽命試驗(yàn)系統(tǒng)需單獨(dú)開發(fā)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 的直線位移傳感器快速自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)集成了測(cè)試所需的儀器儀表和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)測(cè)試，并具備判讀不合格指標(biāo)的功能，同時(shí)，該測(cè)試系統(tǒng)融合了壽命試驗(yàn)功能，可開展壽命試驗(yàn)及試驗(yàn)后的性能測(cè)試，具有操作簡(jiǎn)單、人機(jī)交互界面友好、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。通過(guò)該快速測(cè)試系統(tǒng)，避免了人工誤操作等質(zhì)量問(wèn)題，測(cè)試效率提升了4 倍，且提高了壽命試驗(yàn)的精度。該測(cè)試系統(tǒng)也可為類似電子元器件測(cè)試提供借鑒。