多通道壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛戰(zhàn)軍，卞學(xué)紅，杜玲玲，葉曉雯

(中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

傳統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)工作中，一般采取人工方式，由壓力標(biāo)準(zhǔn)源提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值，且只能對(duì)一臺(tái)壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)、并采用數(shù)字多用表讀取壓力傳感器輸出值，最后由人工記錄處理數(shù)據(jù)。這樣不但效率低下，而且人工記錄處理數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生更大的隨機(jī)誤差、檢測(cè)的數(shù)據(jù)不便于保存。

壓力傳感器是飛機(jī)研制試驗(yàn)中用量最大的儀器之一，也是飛機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的核心，各系統(tǒng)試驗(yàn)都需要大量用到壓力傳感器來采集監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些傳感器的準(zhǔn)確性對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性影響非常大，必須保證其處于良好的狀態(tài)。因此在飛機(jī)研制試驗(yàn)中所用到的壓力傳感器就必須經(jīng)過定期計(jì)量檢定/校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的壓力傳感器校準(zhǔn)由四部分組成:壓力源;標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器;數(shù)字多用表;電源。在傳統(tǒng)的檢定過程中，由壓力源提供氣壓經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器輸出壓力值給壓力傳感器，然后經(jīng)過數(shù)字多用表采集壓力傳感器輸出的讀數(shù)，電源為壓力傳感器提供工作電壓，最后由人工記錄處理數(shù)據(jù)。一個(gè)壓力傳感器一般需要校準(zhǔn)3個(gè)循環(huán)6個(gè)行程，每個(gè)行程需要檢測(cè)6到9個(gè)點(diǎn)，加上人工處理數(shù)據(jù)，完成一個(gè)壓力傳感器的檢測(cè)過程至少需要半個(gè)工作日。目前，壓力傳感器已大量用于飛機(jī)型號(hào)試驗(yàn)，且試驗(yàn)緊迫、任務(wù)繁重，傳統(tǒng)的檢測(cè)過程已不能保證試驗(yàn)要求，而如果再大量采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)壓力控制單元，需要很大的資金和人力資源投入，因此迫切需要提高壓力傳感器的檢測(cè)效率。

1 系統(tǒng)概述

本文根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合壓力傳感器檢測(cè)周期和檢定規(guī)程，設(shè)計(jì)了一套多通道壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的數(shù)字多用表及電源儀器用板卡模塊取代，將檢測(cè)所需的硬件設(shè)備集成一個(gè)整體，通過軟件程序控制整個(gè)檢測(cè)過程并處理最終數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)最多同時(shí)對(duì)6個(gè)壓力傳感器的檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集處理并對(duì)檢測(cè)結(jié)果做出合格判斷生成檢測(cè)報(bào)告，減少人為干預(yù)、提高檢測(cè)效率和測(cè)量準(zhǔn)確度，保證飛機(jī)型號(hào)研制試驗(yàn)的順利進(jìn)行及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)的主要模塊及其功能為:電源模塊采用電源板卡可提供多個(gè)壓力傳感器的電源需求;數(shù)字壓力控制器可調(diào)節(jié)控制氣源提供給壓力傳感器標(biāo)準(zhǔn)氣壓值;多路開關(guān)可進(jìn)行多個(gè)傳感器采集通道的切換;數(shù)字多用表模塊可對(duì)多個(gè)不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;機(jī)箱采用PXI和控制單元可現(xiàn)實(shí)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的集成控制。

軟件部分通過串口遠(yuǎn)程控制數(shù)字壓力控制器輸入給壓力傳感器標(biāo)準(zhǔn)的氣壓值，通過LabVIEW程序控制可編程電源模塊給壓力傳感器等提供工作所需電源，控制多路開關(guān)將相應(yīng)壓力傳感器輸出信號(hào)切換數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，軟件的數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、判斷、顯示等工作，然后根據(jù)用戶需要保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成測(cè)試報(bào)表。控制RS485總線設(shè)備與壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制傳感器工作，讀取傳感器數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件組成

多通道壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)是一套針對(duì)壓力傳感器校準(zhǔn)周期和校準(zhǔn)規(guī)范開發(fā)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要硬件模塊包括數(shù)字壓力控制模塊、PXI機(jī)箱、控制器、電源模塊、多路開關(guān)、數(shù)字多用表模塊、RS485數(shù)據(jù)總線模塊等。

2.1 數(shù)字壓力控制模塊

數(shù)字壓力控制模塊主要選用PPC4數(shù)字壓力控制作為主控制器，其最大允許誤差可達(dá)到±0.01%FS，采用高精度石英諧振壓力傳感器技術(shù)，可覆蓋多量程高精度的控制范圍，將設(shè)備的量程配置靈活性和控制穩(wěn)定性與操作的簡(jiǎn)單可靠性有機(jī)結(jié)合。PPC4命令解析器使PPC4能夠解析并響應(yīng)客戶的遠(yuǎn)程命令，包括其它廠商使用的命令，利用該特性，PPC4可模擬第三方控制器，從而可使用為其它廠家的控制器編寫的軟件。得益于命令解釋器，無需對(duì)以前的軟件進(jìn)行修改，即可將PPC4用于已有的系統(tǒng)。

2.2 PXI機(jī)箱

本方案選用NI PXI-1042/8作為系統(tǒng)控制機(jī)箱，用于安裝嵌入式控制器及相關(guān)外設(shè)。選用該機(jī)箱可以滿足嚴(yán)苛的環(huán)境、安全、EMC規(guī)范。

2.3 控制器

本方案選用NI PXI-8108作為系統(tǒng)的嵌入式控制器。它是基于Intel Core 2 Duo T9400的高性能嵌入式控制器，可用于PXI和CompactPCI系統(tǒng)。NI PXI-8108配有2.53 GHz雙核處理器和800 MHz DDR2內(nèi)存，可同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)計(jì)算任務(wù)。

2.4 電源模塊

本方案選用NI PXI－4110作為系統(tǒng)電源模塊。它是一款安裝于單槽3U PXI模塊的可編程三路輸出高精度直流電源。NI PXI－4110具有2條隔離通道，一條通道的電壓在0～+20 V，另一條通道的電壓在0～－20 V，另有單獨(dú)一條電壓在0～6 V的非隔離通道;這些電源均能生成每通道高達(dá)1 A的電流。PXI－4110的16位分辨力，既可對(duì)電壓設(shè)定值和限流編程，亦可利用電壓和電流回讀/測(cè)量功能。PXI－4110具有萬用電源軌與高精確度，是絕佳的通用單象限電源，適于設(shè)計(jì)驗(yàn)證和制造測(cè)試應(yīng)用。如果需要實(shí)現(xiàn)46 W完整輸出功率，可以配備NI APS－4100輔助電源。

2.5 多路切換開關(guān)

本方案選用NI PXI-2503作為多路信號(hào)輸入切換開關(guān)。其可作為多路復(fù)用器或矩陣開關(guān)使用，可切換60 VDC或30 Vrm信號(hào)。NI PXI-2503繼電器具有極低的熱偏移 (小于2 μV)，極為適宜低壓測(cè)量，如壓力傳感器信號(hào)。對(duì)于較大電壓測(cè)量，PXI-2503可在30 VDC的水平上測(cè)量1A的信號(hào)。使用NI PXI-2503需要使用其配套接線盒TB-2605。

2.6 高精度數(shù)字萬用表

本方案選用NI PXI-4071作為數(shù)據(jù)高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備。它是一款7位半FlexDMM——高性能、多功能的3U PXI模塊，可提供兩種常用測(cè)試儀器的測(cè)量功能，即高分辨力的數(shù)字萬用表以及數(shù)字化儀表。PXI－4071還可以與PXI開關(guān)配合使用，形成一個(gè)多通道的高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.7 RS485數(shù)據(jù)總線模塊

本方案選用NI PXI-8431/4作為RS485數(shù)據(jù)總線通信模塊設(shè)備。它是一款用于與RS485和RS422設(shè)備進(jìn)行3 Mbaud高速通信的高性能4端口異步串行接口，能以2 baud至1 Mbaud的可變波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NI 843x串行接口提供高性能DMA傳輸、多線程(multithreading)和多處理器支持。與基于傳統(tǒng)中斷的串行接口不同，用戶可使用多個(gè)NI串行接口在單一系統(tǒng)中使用最少的CPU資源來和數(shù)十個(gè)端口實(shí)現(xiàn)輕松的高速通信。內(nèi)含NI-VISA API既簡(jiǎn)化了使用NI Lab-VIEW和其他語言的串口編程，也讓代碼能沿用至所有兼容VISA的接口之間。NI串行接口還能作為標(biāo)準(zhǔn)COM端口，用來兼容使用串行通信的程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

多通道壓力傳感器綜合檢測(cè)軟件是結(jié)合福祿克公司提供的PPC4控制軟件接口程序和LabVIEW開發(fā)的一套壓力傳感器綜合采集軟件組成的系統(tǒng)，綜合檢測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制PPC4遠(yuǎn)程軟件程序，然后再利用LabVIEW開發(fā)的采集軟件進(jìn)行自動(dòng)采集處理數(shù)據(jù)，并結(jié)合壓力傳感器檢定規(guī)程中規(guī)定的技術(shù)參數(shù)分析處理數(shù)據(jù)，給出檢測(cè)結(jié)果，最后自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，軟件功能結(jié)構(gòu)見圖2，軟件流程圖如圖3所示。

3.1 壓力控制單元

主要是通過串口控制PPC4數(shù)字壓力控制器提供所需的穩(wěn)定壓力值。根據(jù)福祿克公司提供的遠(yuǎn)程控制接口代碼可遠(yuǎn)程訪問控制PPC4數(shù)字壓力控制器。

3.2 登陸身份識(shí)別

啟動(dòng)系統(tǒng)軟件后，首先進(jìn)入登陸身份識(shí)別模塊，用戶輸入自己的身份信息后，系統(tǒng)根據(jù)用戶記錄，識(shí)別用戶身份。確認(rèn)身份后，進(jìn)入系統(tǒng)。具有管理員權(quán)限的用戶可以添加或者刪除用戶，修改其他用戶權(quán)限等等。

3.3 系統(tǒng)初始化

該模塊用于讀取軟件運(yùn)行參數(shù)。初始化系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境，數(shù)據(jù)庫(kù)連接準(zhǔn)備以及硬件設(shè)備、外設(shè)等。根據(jù)用戶需要，還可以初始化與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的待測(cè)設(shè)備等，比如壓力傳感器在線狀態(tài)檢查，系統(tǒng)設(shè)備復(fù)位，多路切換開關(guān)斷開等等。可選擇對(duì)壓力傳感器或者壓力變送器的校準(zhǔn)電壓或者電流，設(shè)置壓力傳感器的量程，系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)設(shè)置的量程分配校準(zhǔn)點(diǎn)，這些校準(zhǔn)點(diǎn)可根據(jù)需要和實(shí)際情況手動(dòng)修改，另外還可設(shè)置傳感器基本信息 (編號(hào)、型號(hào)、準(zhǔn)確度等級(jí)、生產(chǎn)廠家、送檢單位、環(huán)境溫濕度)以及選擇標(biāo)準(zhǔn)器。保存設(shè)置的參數(shù)后可進(jìn)行校準(zhǔn)采集，設(shè)置的參數(shù)可作為模板保存，下次檢測(cè)同類傳感器時(shí)可調(diào)用模板，初始化參數(shù)設(shè)置界面如圖4。

3.4 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于控制多路切換開關(guān)，將需要測(cè)量的壓力傳感器信號(hào)切換到數(shù)據(jù)采集模塊的測(cè)量輸入通道中。控制數(shù)據(jù)采集模塊讀取測(cè)量輸入。采集模塊還通過RS485總線控制壓力變送器回傳壓力測(cè)試數(shù)據(jù)。可設(shè)置校準(zhǔn)周期，可根據(jù)系統(tǒng)采集圖像的圖標(biāo)等到壓力傳感器輸出穩(wěn)定后采集讀數(shù)，等到校準(zhǔn)周期結(jié)束后，可自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)報(bào)告模板生成校準(zhǔn)記錄。采集模塊可根據(jù)設(shè)置的點(diǎn)按順序采集，也可根據(jù)需要選擇采集的行程，比如壓力傳感器選擇三個(gè)行程進(jìn)行采集。界面如圖5。

3.5 數(shù)據(jù)分析單元

數(shù)據(jù)分析模塊集中處理數(shù)據(jù)采集模塊生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。主要設(shè)計(jì)功能有:①根據(jù)預(yù)設(shè)判據(jù)，分析判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是否滿足要求;②能夠?qū)Τ迶?shù)據(jù)發(fā)出聲光報(bào)警信息等;③根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制壓力—時(shí)間曲線，反應(yīng)壓力的變化情況;④能夠回放之前的壓力數(shù)據(jù)曲線。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

圖4 初始化設(shè)置界面

數(shù)據(jù)分析模塊主要是依據(jù)JJG860-1994《壓力傳感器檢定規(guī)程》對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)規(guī)程中規(guī)定的壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)的處理方法分析判斷特定參數(shù)是否合格。

圖5 數(shù)據(jù)采集界面

3.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括:①測(cè)量原始數(shù)據(jù);②數(shù)據(jù)分析模塊的分析結(jié)果數(shù)據(jù);③用戶指定的數(shù)據(jù);④測(cè)量日志記錄;⑤測(cè)試報(bào)表生成。

對(duì)于每個(gè)壓力傳感器的檢測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后期的查詢和調(diào)用，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果生成校準(zhǔn)證書或者校準(zhǔn)結(jié)果通知書，并可對(duì)檢測(cè)原始記錄和證書進(jìn)行打印。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和軟件功能，對(duì)本系統(tǒng)的功能和準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證，選擇一組0.1級(jí)壓力傳感器，利用本系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，并利用軟件程序?qū)z測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析最終得出檢測(cè)結(jié)論。其中一組檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出結(jié)論如表2所示。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)表

表2 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及檢測(cè)結(jié)果可得出本壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)符合檢測(cè)要求。

5 系統(tǒng)不確定度分析

本系統(tǒng)在測(cè)量過程中引入的不確定度分量包括:①測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度;②標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞引入的不確定度;③數(shù)字壓力控制器準(zhǔn)確度引入的不確定度;④溫度變化引入的不確定度;⑤數(shù)字壓力控制器分辨力引入的不確定度;⑥壓力采集系統(tǒng)的電源板卡及高精度數(shù)字萬用表板卡引入的不確定度。

在測(cè)量過程中前5項(xiàng)不確定度分量的引入和傳統(tǒng)的測(cè)量方式引入是相同的，我們將傳統(tǒng)的電源儀器用板卡模塊取代，傳統(tǒng)的數(shù)表用高精度數(shù)字萬用表板卡模塊取代，根據(jù)NI產(chǎn)品的使用說明書中給出的電源模塊、高精度數(shù)字萬用表等模塊的準(zhǔn)確度等級(jí)都非常高，7位半的數(shù)字多用表模塊測(cè)量誤差為±1×10－7V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通數(shù)表的準(zhǔn)確度，所以整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量過程中引入的不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)量方式。

6 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的多通道壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)有以下特點(diǎn):

1)硬件的高級(jí)集成化。取代了傳統(tǒng)的電源、數(shù)表及繁瑣的鏈接導(dǎo)線，將所有硬件集成為一個(gè)整體部件，且根據(jù)需要同時(shí)檢測(cè)1到6個(gè)同量程的壓力傳感器。

2)軟件智能綜合化。可根據(jù)檢測(cè)需求，設(shè)置檢測(cè)模板，通過程序控制壓力控制器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)、最后通過軟件程序計(jì)算分析測(cè)量結(jié)果生成檢測(cè)報(bào)告。

3)測(cè)量準(zhǔn)確度高。減少了人工干預(yù)降低了檢測(cè)過程中的隨機(jī)誤差，采用高準(zhǔn)確度的壓力控制模塊可檢測(cè)0.05級(jí)以上壓力傳感器，通過高精度的板卡取代傳統(tǒng)的儀器，降低了測(cè)量過程中引起的不確定度分量。

4)檢測(cè)種類多樣化。本多通道壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)不僅可檢測(cè)輸出為電壓、電流的壓力傳感器，還可檢測(cè)輸出為485總線信號(hào)的多樣化特殊壓力傳感器，滿足不同類型的壓力傳感器檢測(cè)需求。

所以，多通道壓力傳感器綜合檢測(cè)系統(tǒng)可大大提高檢測(cè)效率及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，保障飛機(jī)研制各項(xiàng)試驗(yàn)的順利完成，同時(shí)確保了試驗(yàn)中壓力測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

[1]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 860－1994壓力傳感器 (靜態(tài))檢定規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1994.

[2]張蕾，周靜.一種壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011(3):52－54.

[3]顧凱.壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng) [J].工業(yè)計(jì)量，2010(4):33－34.

[4]楊洪勝，姚進(jìn)，楊振華.多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研制 [J].中國(guó)科技信息，2010(4):130－133.

[5]向科峰.基于labview的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)若干問題研究[D].綿陽(yáng):西南科技大學(xué)，2007.