多通道壓力傳感器自動校準系統研制

楊洪勝 姚進 楊振華

1.四川大學制造科學與工程學院 610065

2.中國空氣動力研究與發展中心高速所 62100

多通道壓力傳感器自動校準系統研制

楊洪勝1姚進1楊振華2

1.四川大學制造科學與工程學院 610065

2.中國空氣動力研究與發展中心高速所 62100

基于計算機終端技術，研制了一種多通道壓力傳感器自動校準系統，系統可實現對多個傳感器同時進行自動校準。同時，對系統的工作原理，構成和自動校準軟件設計方法進行了詳細介紹。在實際應用中，系統具有很好的穩定性和準確性，校準結果滿足國標要求。

多通道；壓力傳感器；校準

multi-channel; pressure sensor; calibration

1、引言

壓力傳感器廣泛應用工業制造、自動化控制、航空航天、實驗測試、軍事等領域。為了保證壓力傳感器能準確反應檢測對象的真實狀況，對傳感器進行定期校準和抽樣檢驗具有重要意義。

壓力傳感器的檢定是一個比較復雜的過程。壓力傳感器的傳統校準方式是通過手動完成，工作效率低，而且由于校準過程操作環節多而繁瑣，容易引入人為誤差，對壓力傳感器性能參數確定帶來較多的不確定性。建立一套多通道壓力傳感器自動校準系統，能高質量、快速完成多個壓力傳感器的校準，還可避免傳統校準方存在的人為失誤帶來的弊端，對提高工作效率，減輕勞動強度和提高校準精度有重要意義。我們采用計算機終端通訊技術成功研制出了一種多通道的壓力傳感器自動校準系統。

2、系統結構

多通道壓力傳感器自動校準系統的主要工作原理流程是通過終端通訊連接技術，采用計算機給高精度壓力控制器、多通道數據采集器發布控制指令，使壓力傳感器獲得由高精度壓力控制器產生的標準壓力并輸出相應信號，由數據采集器采集傳感器輸出信號并返回計算機完成數據分析處理的循環過程，最后自動生成傳感器校準證書、文檔的校準系統，系統結構主要包括硬件系統和軟件系統兩部分。硬件部分是在RUSKA7215i的基礎上通過相應的擴展，構建了基于網絡終端通訊技術的硬件平臺，軟件系統利用微軟公司的開發軟件visual studio 6.0開發了設備控制和數據處理軟件。

2.1 硬件結構

根據現有的實驗室校準測試條件和實際檢測設備，多通道壓力傳感器自動校準系統的硬件結構主要包括電子計算機、高精度壓力控制器、數據采集系統、打印機、真空泵、高壓氮氣源等硬件設備組件，通過計算機的RS232接口組網連接。壓力傳感器自動校準的基本硬件系統拓撲結構圖如圖1所示。

2.2 軟件系統

多路壓力傳感器自動校準系統的軟件系統是對硬件系統各組件的有效整合，是整個系統穩定、有效工作的核心組成部分之一，是各部件控制和數據通訊的邏輯紐帶。軟件系統將高精度壓力控制器、數據采集系統、打印機有機地結合在一起，實現循環加載、自動判穩、數據采集等一系列自動化過程，同時還設計了壓力傳感器校準數據庫管理功能，可以對傳感器信息、校準證書、校準數據等資料進行更有效的管理和檢索。系統軟件包括傳感器校準、數據計算處理、數據庫管理和系統維護四大核心模塊，結構如圖2所示。

3、關鍵技術

圖1 硬件結構

壓力傳感器校準模塊是多通道壓力傳感器校準系統的最基本模塊，其實現自動加載校準功能是系統最根本的功能，自動校準程序流程如圖3。系統可根據需要對壓力傳感器的校準環境、校準參數、工作載荷、預警提示等進行設置。系統管理控制由軟件系統協調，主要包括登錄管理模塊，校準參數設置模塊，環境參數設置模塊，數據采集分析模塊，曲線顯示模塊，報警提示模塊和證書生成模塊等部分。模塊之間除必要的輸入輸出接口用于模塊之間的通訊外，進行封裝，保證各模塊相對獨立性，這能有效確保系統的穩定性、良好的維護性和移植性。為了實現傳感器多通道自動校準系統的各個功能模塊功能，系統采用了以下關鍵技術。

3.1 系統防鎖死釋放功能

在自動校準過程中，為避免程序在校準時長時間沒有響應，或在壓力穩定等待時間超過設置時間限和其他異常情況下，通過設置系統控制權限等級，采用DoEvents語句來釋放系統控制權， 確保自動校準過程中系統流暢運行和計算機系統的穩定。同時，系統采用自動/手動兩種校準模式，保證在自動校準失效情況下可采用手動方式進行，確保校準工作的連續性。

3.2 施加載荷自判穩功能

作為自動校準系統，必須具有對所加載荷進行自判穩識別功能。對傳感器施加的標準壓力后，讀取高精度壓力控制器的狀態寄存器，并輔以一定的延時，循環判穩3次以上，比較狀態寄存器數值差值是否小于設定判穩標準，從而確保自動校準過程中采集到的是處于穩定狀態的標準壓力。

3.3 數據判穩功能

在自動校準過程中，為了獲得有效、穩定的測試數據，除對傳感器承載載荷進行判定外，對傳感器相應輸出信號的判讀具有重要意義，通常采用軟件延時處理。為了更好確保數據有效、穩定性，在系統研制過程，系統既采用了相應的軟件延時技術，同時對數據采集器觸發進行硬件設置，提升穩定延時時間，使每個觸發信號周期能連續采樣10以上有效數據，還進一步提高了信號采樣速度。這可以保證在一個有效采樣周期內取得更多的數據進行對比，提高了數據判穩的可操控性。

3.4 傳感器標定結果數據規范化

在軟件系統中，建立統一校準證書、校準數據的模板文檔，對傳感器規范化管理意義重大。為此，在軟件系統研制過程中使用OLE嵌入技術，采用統一格式的證書模板。在壓力傳感器校準初期，設置好相應參數，在校準完畢后即可生成完備的壓力傳感器證書。同時，為有效保存每只傳感器校準流程的數據，減少了人為因素帶來的失誤，加入了數據庫管理系統，可方便實現對傳感器數據的有效溯源和必要時的對比檢索。

3.5 傳感器輸出波動有效控制

理論上講，在經過上述關鍵技術處理后，壓力傳感器自動校準系統可以投入實際運行，但是在系統整體調試階段發現在加載壓力穩定時，傳感器輸出信號經常會出現的微小波動，這種輸出波動特性呈現一定規律性，且在模擬輸出的壓力傳感器上尤為明顯。經過反復比較分析發現，主要原因是壓力傳感器的壓力輸入存在一定的波動，波動源主要是由高精度壓力控制器RUSKA7215i內部壓力輸出閥門的頻繁切換所致。對RUSKA壓力輸出閥門的響應特性進行研究發現，輸出閥相應是在其固有的頻率作微小的波動，在對壓力傳感器的輸出進行軟件濾波處理，消除標定系統硬件帶來的波動誤差。

4、壓力傳感器數據及誤差處理

多通道壓力傳感器系統使用的數據分析和誤差處理方法嚴格遵循壓力傳感器性能測試國標標準GB/T15478-1995壓力傳感器性能試驗方法、中國計量科學院1994制定的壓力傳感器靜態校準規程（JJG860-94）相關規定進行。

4.1 數據處理

線性傳感器工作特性方程一般形式為Y＝a＋bX，數據擬合方程有端基直線法，零基直線法，平移端基直線法和采用最小二乘直線法等數據擬合方法。多通道壓力傳感器自動校準系統數據處理采用最小二乘直線擬合法，對傳感器的整個測量范圍內，設置m個校準點進行n次循環壓力校準試驗，在每一個校準幾點上分別有n個正行程校準數據和n個反行程校準數據，具體公式如下。

YUij——正行程第i次校準點第j次的示值。（i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n）

YDij——反行程第i個校準點第j次的示值。

圖2 軟件結構

圖3 自動校準程序流程

最小二乘法擬合直線系數：

Xi第i個標定點的壓力值（i=1,2,3,…, m）,Yi第i個標定點的正反行程的總平均值, m為校準設置點數。

4.2 誤差處理

壓力傳感器誤差處理涉及重復性分析和精確度計算。

4.2.1 重復性

采用貝塞爾公式分別計算每個校驗點上正反行程的子樣標準偏差：

n ——重復次數；m——校準點個數；λ——包含因子，按t分布，取置信概率等于95%；YF.S為壓力傳感器滿量程輸出值。

4.2.2 精確度

壓力傳感器的精確度是系統誤差與隨機誤差的綜合反映，取決于系統誤差帶U1與隨機誤差帶U2的大小。

線性傳感器的系統誤差帶U1，采用最小二乘直線法。

正行程的系統誤差為：

5、應用情況

多通道壓力傳感器自動校準系統研制完成后，采用多種壓力傳感器進行了校準測試，結果表明多通道壓力傳感器自動校準系統實現和達到了下列功能和指標（如表1），系統運行截面如圖4。

表1 壓力傳感器自動校準系統功能指標

下面是對昆山雙橋傳感器有限公司生產的PDCR系列某絕壓傳感器在多通道壓力傳感器自動校準系統上進行的校核對比分析結果。表2是系統判穩后進行的9次采集數據，從數據結果可以看出自動判穩壓力后的數據波動值在系統誤差的許可范圍內，說明自動校準系統的判穩是可靠的。

由于壓力傳感器本身系數的年飄移量相對較大和測試環境差異影響，對不同期的壓力傳感器校準后的性能對比性分析意義不大，但通過對同期傳感器多次校準結果進行對比分析對校準系統性能評價具有重要參照意義。表3是自動校準系統對該壓力傳感器進行同期多次校準后的系數對比情況，數據結果表明同期傳感器校準的系數誤差在0.03%以內，校準系數的差值引起的壓力計算誤差在10Pa以內，壓力傳感器系數的校準精度十分理想。圖5為同時進行5只傳感器校準的界面圖。

表2 數據判穩比較

圖4 多通道壓力傳感器自動校準系統程序運行界面

表3 系數對比

圖5 多只傳感器同時校準結果界面

6、結論

多通道壓力傳感器自動校準系統以計算機為核心控制單元，利用計算機終端通訊技術，將高精度壓力控制器、數據采集系統、壓力傳感器有機整合，完成壓力傳感器的循環加載、傳感器數據采集、靜態校準數據計算、誤差分析、自動生成證書文件和校準數據溯源文檔庫等功能，校準過程實現了全自動化。系統研制成功以來，已對百臺壓力傳感器的完成校準工作，并成功應用到多種領域，取得了良好的效益。

相對傳統的單步手動校準方式，多路壓力傳感器自動校準系統有效提高了校準效率和質量，最大限度減少人為因素造成的失誤，提升了壓力傳感器的整體校準和檢定能力，實際應用表明系統完全能滿足多種壓力傳感器校準的需要。同時，該系統具有良好的可拓展性，通過必要的硬件擴展和軟件二次開發，可對壓力實現傳感器的動態測試和遠程控制。

[1]GB/T15478-1995, 中國國家標準,壓力傳感器性能試驗方法[S],1995

[2]JJG860-94, 中國計量科學院,壓力傳感器靜態校準規程[S],1994

[3]Q/GSS 312-2005, 中國空氣動力研究與發展中心高速所,風洞壓力傳感器靜態校準規范[S],2004

[4]RUAKA7215i用戶手冊

[5]FLUCK34401A 用戶手冊

Based on computer terminal technology, a kind of multi-channel pressure sensor auto-calibration system has been developed，system can automatically process multiple sensors calibration at the same time。And the system working principle, composition and the design method of automatic calibration software has been introduced. In practical applications, system has perfect stability and accuracy, calibrated results meet the nation standard。

楊洪勝（1975.8～），男，四川大學研究生，工程師，主要從事CAD/CAE、機械制造和自動控制研究；

姚進（1977.4～），男，教授，四川大學博士生導師，主要從事CAD/CAE/CAM及機械制造研究；

楊振華（1982.8～），男，工程師，中國空氣動力研究與發展中心高速所，主要從事自動控制研究。