基于虛擬儀器的多路壓力傳感器自動檢測系統設計

王子

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110036）

引言

近年來，傳感器在各個領域廣泛應用，而壓力傳感器是其中應用是最廣泛、最為普遍的。目前，壓力傳感器正向小型化、集成化和智能化方向發展，這也將壓力測量技術提高到新的水平。因此對批量生產的壓力傳感器的檢測校準具有十分重要的意義。

最初的批量檢測和校準都是通過人工的方法，將一批（成百上千只）壓力傳感器逐一進行校準，每校準一個需要重新更換測試電纜，并手動記錄校準結果。這種人工方法不僅費時又費力，而且一致性不強，容易出錯。隨著單片機技術的發展，后來批量測試引入了單片機技術，應用單片機技術的測量校準方法在校準速度上得到了很大提高，但這種方法的一個缺點是校準結果不能直觀顯示，只能通過測試儀上的顯示讀出當前的測量參數，而且這種方法不太穩定。

虛擬儀器技術的出現彌補了系統顯示不直觀的不足，通過軟件將計算機與儀器硬件有機地融合在一起，把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，不僅減少了系統的成本和體積，并通過軟件實時顯示數據以及分析處理結果，并存儲記錄。

本文研究的多路壓力傳感器檢測系統就是結合虛擬儀器技術組建的，可實現對壓力傳感器、壓力變送器檢定過程全自動精確測量與數據記錄，實現多路壓力傳感器的數據校準等相應性能參數的計算功能，減輕操作人員勞動強度、提高工作效率，滿足大批量壓力傳感器快速測量、檢定工作的需要。

1 系統總體設計

系統總體設計如圖1所示，其中虛線部分為與系統連接的其他設備。

系統由主機、數據采集器、程控電源、多路控制器和外接裝置等五部分組成。

系統主機：采用TCP/IP協議與數據采集器、程控電源、多路控制器和壓力測控儀連接，實現控制和測量的功能。通過其上運行的LabVIEW軟件進行通道切換，數據采集、記錄、運算。

數據采集器：根據測量的要求，進行傳感器電壓、電阻的測量。

程控電源：為系統提供高精度的電源。

多路控制器：為90路1.5 mA恒流源供電,對多路傳感器進行切換測量。

外接裝置：包括壓力測控儀、氣瓶和恒溫箱，給系統提供壓力和溫度配給。

2 系統硬件設計實現

2.1 數據采集器

本系統的數據采集主要通過安捷倫34410數字萬用表實現，結合自制的開關選通板與矩陣板實現多路數據的切換采集功能，通過網線與計算機相連實現測量的軟件編程控制功能。

安捷倫 34410在本系統中主要用于高精度直流電壓和電阻的兩線、四線制測量，在滿足參數測量的情況下，可達到1 000讀數/s的測量速度，所有測量功能均集成于一個緊湊的高性能模塊化平臺中。軟件技術方面，采用LabVIEW軟件，利用儀器驅動程序編程實現其硬件的動態訪問和控制。

2.2 多路控制器

2.2.1 多通道選通模塊

多通道選通模塊主要實現被測試傳感器的快速切換及恒流源供電控制功能，設計實現90只傳感器選1，及450個通道選5的低導通電阻、高速切換功能。圖3表示了選通控制模塊的切換邏輯，用于選通5根信號線的開關可以選擇一個4刀或者2個2刀的繼電器實現，供電控制的開關必須使用一個單獨的繼電器控制。其中，Rx是電流測量的取樣電阻。單塊通道卡可提供8只傳感器，40個通道的測量切換功能，卡與外部連接采用37針的電連接器連接。

圖1 系統總體設計圖

圖2 數據采集器

圖3 選通控制模塊原理框圖

2.2.2 測量控制模塊

測量控制卡主要通過FPGA實現上位機通信及邏輯選通控制，并與矩陣開關組合實現測量參數與通道的切換組合控制，使用4*4開關矩陣，可靈活對各節點進行通斷控制，實現復雜的邏輯功能，包括測量端切換、電阻短路控制、正反向測量等，其原理框圖如圖4所示。

2.2.3 恒流源設計

系統需要為被測量傳感器提供90路精度為±0.005 mA的恒流源。傳感器對恒流源電流精度及穩定性要求較高，恒流源電路設計中選用高精度、低溫漂電子器件，確保滿足實際使用的需要。

圖4 矩陣開關原理框圖

圖5 恒流源設計原理示意圖

恒流源設計采用運算放大器的電流串聯負反饋電路形式，這種電路形式的電流調整能力強，電流輸出穩定，較適合本系統中使用。恒流源的電路示意圖如圖5所示。RL表示電流源的負載；Rf構成恒流源的反饋電阻。

為了保證恒流源的精度要求，在電路設計過程中應考慮反饋電阻的初始精度和溫度系數對恒流源輸出電流在電路特性上的影響；還應考慮運算放大器的輸入偏置電壓、輸入偏置電壓溫度系數、輸入偏置電流對電路特性的影響，而這種影響是在電路特性分析之外的，需要進行額外的計算和試驗；還必須要考慮基準電壓源的初始精度和溫度系數對恒流源的影響。設計選用低溫漂、高精度的基準源REF5025和OPA241構成恒流源能夠實現技術指標要求，電路中的電阻選擇0.1 %精度和25 ppm/℃溫度系數的低溫漂、高精度電阻。

3 系統軟件設計

系統上位機軟件采用LabVIEW圖形化軟件實現。LabVIEW提供了最常用的、也是最完整的圖形化開發環境。對于高度自動化的測試系統，測試管理軟件提供了一個面向順序執行、分支/循環、報告生成和數據庫集成的框架。圖形化的編程方式，直接簡便，使得程序更加方便，減少程序的開發時間。

傳感器壓力自動校準系統軟件的基本功能如圖6所示。

壓力校準軟件主要實現90只傳感器的壓力校準功能，并對采集數據進行存儲和計算。程序首先進行采集的初始化設置，包括通訊端口與通信速率選擇、采集器測量參數、測量通道、校準點、行程數等參數，根據不同測試需要控制通道的切換，同時控制恒流源供電，并監測傳感器的工作電流，根據設置的校準點與行程數進行相應壓力信號采集，存儲到數據庫中，采集完畢后，計算傳感器準確度、線性度等參數，并顯示結果，同時提供數據打印功能。其前面板如圖7所示。

圖6 壓力校準軟件功能框圖

圖7 壓力校準軟件界面

4 結論

基于虛擬儀器的多路壓力傳感器自動校準系統，利用虛擬儀器與計算機技術的結合，通過數據采集器和多路控制器等硬件設備，實現對壓力傳感器或壓力變送器檢定過程中的全自動精確測量與數據記錄，實現多路壓力傳感器的自動測量、校準功能。減輕操作人員勞動強度、提高工作效率，滿足大批量壓力傳感器快速測量、檢定工作的需要。

本系統的建立使得壓力傳感器的檢測速度得到很大提高，并使其測量校準實現了智能化和自動化，校準精度和一致性也將得到一定的提升。并且由于采用了虛擬儀器技術，在數據處理、人機交換等方面顯示出了巨大的優勢，為批量生產的壓力傳感器的測試帶來了方便并提供了新的思路，因此將在壓力傳感器的科研和批量生產測試中得到廣泛應用。

[1]張鑫,郭清南,李學磊.壓力傳感器研究現狀及發展趨勢[J].電機電器技術, 2004 (4)：28-30.

[2] 張曉群,呂惠民.壓力傳感器的發展、現狀與未來[J].半導體雜志, 2000 (3)：47-50.

[3]劉君華.智能傳感器系統[M].西安:西安電子科技大學出版社, 1999.

[4] SuskiJ, MosserV, Goss. J. Polysisicon SOI Pressure Sensor[J]. Sensors and Actuators, 1989(17):405-414.

[5] 劉金頌,嚴潔,鄭慶紅.基于LabVIEW和單片機的空調溫度場測量系統的研究[J].測控技術, 2005(8):78-80.

[6]曹金洲.電源環境應力篩選試驗自動測控系統研究[J].裝備環境工程, 2013,10(6):41:44.

[7] 郭俊峰,戴飛,徐小文等.基于虛擬儀器的電磁環境監測系統[J].電子測量技術, 2006, 29(2):47-49.

[8] 張偉東,袁昊等.基于虛擬儀器的電子測量系統[J].電子測量技術, 2006(4):15-21.