基于LabVIEW的MEMS電容式壓力傳感器測試系統(tǒng)設(shè)計

郝秀春 陳忠位 李宇翔 王佳偉 何沛凌

(江蘇大學機械工程學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

電容式壓力傳感器是MEMS技術(shù)的典型代表，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在微傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。但其結(jié)構(gòu)微小，研制難度大，在樣品測試過程中，獲取傳感器輸出電容隨環(huán)境壓力的變化特性對研制工作有關(guān)鍵作用。因此，搭建一套集壓力控制、信號采集、數(shù)據(jù)存儲于一體的壓力傳感器測試系統(tǒng)具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

國內(nèi)外對氣壓控制技術(shù)已有一定研究。文獻[1-2]將模糊控制理論應(yīng)用于真空控制中，有效減少了超調(diào)，優(yōu)化了真空控制的效果。文獻[3]通過伺服電機控制氣缸中活塞的位置，改變氣體容量來達到氣壓控制的目的，可以實現(xiàn)氣壓的線性變化。文獻[4] 選用高頻電磁閥作為執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)合自整定模糊PID和反饋線性化，有效減小了氣壓自動控制中存在的非對稱性。文獻[5]設(shè)計了一種新型的魯棒非線性控制器，顯著地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。文獻[6]引入了模糊分數(shù)階PID控制，有效改善了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果。

目前，關(guān)于氣壓自動控制的文獻報道較多，但大多針對真空控制，且結(jié)合其他模塊化功能將其應(yīng)用于壓力傳感器測試的報道較少。本文設(shè)計了一套以LabVIEW為開發(fā)平臺的MEMS壓力傳感器測試系統(tǒng)，集成壓力控制和數(shù)據(jù)采集存儲功能，對自主設(shè)計的MEMS壓力傳感器進行測試。

1 氣壓控制技術(shù)

理想條件下，理想氣體的壓強p，體積V，物質(zhì)的量n，理想氣體常數(shù)R和熱力學溫度T有如下關(guān)系：

pV=nRT

(1)

改變氣體溫度，體積可以改變氣體壓力。由于系統(tǒng)的壓力變化范圍較大，采用流量控制方式，即通過改變氣體質(zhì)量的方式改變氣壓[7]。

氣動系統(tǒng)中，通常利用脈寬調(diào)制方式(PWM)控制高頻電磁閥，通過算法改變PWM調(diào)節(jié)高頻電磁閥的開關(guān)時間比例，達到流量控制的目的。周期較小時適當細化脈寬，可以近似為連續(xù)控制，從而實現(xiàn)密閉容器內(nèi)的壓力控制[8-9]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要包括氣壓自動控制和數(shù)據(jù)采集存儲兩部分。密閉容器采用ISO規(guī)格的真空法蘭密封，滿足測試的密封性和強度要求。測試時壓力傳感器置于密閉容器內(nèi)部，通過真空連接器與外部阻抗分析儀相連接，從而測量傳感器的輸出電容。密閉容器內(nèi)部的壓力由與其相連的壓力傳感器讀出。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

氣壓自動控制部分主要由標準壓力傳感器、NImyDAQ數(shù)據(jù)采集卡、高頻電磁閥、電磁閥和驅(qū)動模塊組成。標準壓力傳感器用于密閉容器的氣壓檢測，傳感器的模擬輸出信號作為數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號，信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，調(diào)用LabVIEW中的PID工具包計算系統(tǒng)輸出的PWM信號。NImyDAQ生成的PWM信號通過驅(qū)動模塊傳遞給高頻電磁閥，高頻電磁閥控制密閉容器內(nèi)氣體與大氣的交換速率，密閉容器內(nèi)氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值時關(guān)閉氣源處的電磁閥，從而保證氣壓的恒定。

數(shù)據(jù)采集存儲部分的功能是將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。通過GPIB協(xié)議，LabVIEW讀取阻抗分析儀采集到的電容信號，同時將氣壓和電容信號通過局域網(wǎng)存儲到工作站的MySQL中，可創(chuàng)建多個賬戶分配不同的權(quán)限，便于數(shù)據(jù)存儲管理與團隊協(xié)同合作。

由于難以針對被控對象建立精確數(shù)學模型，且系統(tǒng)針對MEMS壓力傳感器的定性分析，對控制精度的要求不高，因此系統(tǒng)采用PID算法進行控制。

比例、積分、微分的線性組合，構(gòu)成控制量，稱為比例積分微分控制(PID)控制，原理框圖如圖2所示。

圖2 PID原理框圖

PID控制器的控制規(guī)律由原理框圖可知：

e(t)=r(t)-c(t)

(2)

(3)

PID是比較理想的控制規(guī)律，在比例控制的基礎(chǔ)上加入積分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，引入微分控制又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定速度。在實際應(yīng)用中，適當?shù)卣{(diào)整比例、積分和微分系數(shù)可以取得較好的控制效果[10-11]。

LabVIEW可直接調(diào)用NI公司提供的PID工具包，結(jié)合NImyDAQ可快速搭建自動控制系統(tǒng)，直觀地對壓力進行調(diào)節(jié)[12]。圖3是針對本系統(tǒng)設(shè)計的閉環(huán)控制框圖，設(shè)定壓力值，傳感器獲取當前壓力值并與設(shè)定值求差值，LabVIEW根據(jù)差值的大小自動調(diào)控輸出的PWM，從而控制高頻電磁閥與大氣交換的氣體流量，直至密閉容器內(nèi)氣壓值達到設(shè)定值。

圖3 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)選用NImyDAQ數(shù)據(jù)采集卡，它有8個DIO數(shù)字通道，通道可配置為通用軟件定時的數(shù)字輸入或輸出，也可用作數(shù)字計數(shù)器的特殊函數(shù)輸入或輸出。它有2個模擬輸入通道，每通道可測量的模擬輸入采樣高達200kS/s。它選用MAC高頻電磁閥35A-ACA-DDBA-1BA，通電時間約為6ms，斷電時間約為2ms，每分鐘的最高開關(guān)次數(shù)可達一萬余次。電磁閥選用亞德客2V025-08，勵磁時間在0.05s以下。標準壓力傳感器選用KEYENCE公司的AP-C30，最高分辨率可達0.1kPa，可輸出與氣壓值呈線性關(guān)系的模擬電壓信號，范圍是1～5V。

通過AP-C30測量密閉容器內(nèi)的氣壓。將AP-C30的輸出端接到數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入端的通道0。LabVIEW將采集的氣壓值與設(shè)定的氣壓值進行比較，經(jīng)PID運算后，PWM信號通過NImyDAQ的數(shù)字輸出端的通道3送到可控硅驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊控制高頻電磁閥調(diào)節(jié)密閉容器內(nèi)氣壓與大氣的交換速率，從而實現(xiàn)氣壓的自動控制。系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，LabVIEW控制NImyDAQ數(shù)字輸出端的通道7，通過驅(qū)動模塊使氣源處的電磁閥閉合，保證密閉容器內(nèi)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。待壓力穩(wěn)定時，LabVIEW通過連接在PC機的82357B型USB/GPIB接口適配線和日置IM3570阻抗分析儀通信，獲取密閉容器內(nèi)電容式傳感器的輸出電容[13]。

4 軟件設(shè)計

LabVIEW具有模塊化、結(jié)構(gòu)化的特性[14]。采用模塊化的思想將系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為氣壓自動控制部分和數(shù)據(jù)采集存儲兩個部分。每個部分再針對具體功能進行模塊劃分，將模塊封裝為子VI。測試系統(tǒng)的前面板見圖4，程序框圖見圖5。

圖4 測試系統(tǒng)前面板

圖5 測試系統(tǒng)程序框圖

4.1 氣壓自動控制

氣壓自動控制部分的程序流程見圖6，預(yù)先設(shè)定目標氣壓，通過數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)字壓力傳感器AP-C30返回的電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的氣壓值。進行轉(zhuǎn)換時，輸出電壓存在的細微波動會造成較大誤差，因此采用中位數(shù)濾波法對信號進行處理，通過LabVIEW中的DAQ助手，一次采集20個數(shù)據(jù)，取中位數(shù)減少數(shù)據(jù)的波動。PID計算輸出PWM并通過NImyDAQ傳遞給高頻電磁閥，PWM的脈沖序列由采集卡的DIO3生成。檢測密閉容器內(nèi)的壓力，若達到設(shè)定值則關(guān)閉氣源處電磁閥，否則繼續(xù)執(zhí)行上述操作，直至滿足要求。

圖6 氣壓自動控制和數(shù)據(jù)采集與存儲的流程圖

4.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

GPIB是控制器和可編程儀器之間通信的一種總線協(xié)議，也稱為IEEE488標準。根據(jù)最新的488.2-1992標準，其數(shù)據(jù)傳輸速率達到8Mbit/s，能實現(xiàn)儀器之間和儀器與計算機之間的雙向高速通信[15]。基于LabVIEW的GPIB控制程序包括GPIB接口卡驅(qū)動程序和主控程序。安捷倫公司提供82357B在LabVIEW環(huán)境下的驅(qū)動程序，編寫程序時，只需調(diào)用LabVIEW的GPIB函數(shù)庫中的GPIBWrite和GPIBRead函數(shù)即可實現(xiàn)與阻抗分析儀的通信。GPIB程序架構(gòu)如圖7所示[16]。

圖7 GPIB程序架構(gòu)

利用LabVIEW開發(fā)該測試系統(tǒng)時，不可避免地要進行數(shù)據(jù)庫訪問。使用數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少數(shù)據(jù)的冗余度，便于數(shù)據(jù)分析，這是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法難以相比的，但是LabVIEW本身并不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能[17]。綜合比較后，選用LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL對數(shù)據(jù)庫進行操作。LabSQL在LabVIEW中使用ActiveX功能，通過MicrosoftADO和SQL語言調(diào)用ODBC接口函數(shù)庫和驅(qū)動程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的子VI，簡單易用[18-19]。其結(jié)構(gòu)層次如圖8所示。

圖8 訪問數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)存儲部分流程見圖6。根據(jù)具體情況設(shè)定一次存儲的數(shù)據(jù)量，點擊前面板的開始采集按鈕后，LabVIEW連接MySQL數(shù)據(jù)庫，主要使用LabSQL工具包中的SQLExecute子VI向?qū)?yīng)的表中按字段添加記錄，記錄的數(shù)據(jù)個數(shù)達到設(shè)定量時關(guān)閉數(shù)據(jù)庫并重置布爾變量，使程序重新進入等待狀態(tài)。

5 實驗過程與結(jié)果

5.1 氣壓自動控制

以一組連續(xù)正壓控制為例，實際過程控制見圖9。將壓縮機連接到密閉容器，高頻電磁閥頻率設(shè)為10Hz，依次將目標壓力設(shè)為10、20和30kPa。降壓控制時，入口處電磁閥切斷氣源，依次將目標壓力設(shè)置成30、20和10kPa。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差均小于0.3kPa，其控制效果與氣源、PID控制參數(shù)、標準壓力傳感器的精度和高頻電磁閥的頻率有關(guān)，適當優(yōu)化可以取得更好的效果。

圖9 氣壓連續(xù)控制過程圖

5.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

在實際的測試中，為了增大傳感器的實際電容輸出選擇了16個(4×4陣列)尺寸均相同(膜半徑為100μm，膜厚為2.3μm，極板間距為1.7μm)的絕對壓力傳感器陣列進行測試。控制密閉容器內(nèi)壓力從20至120kPa依次遞增，間隔為10kPa，設(shè)定數(shù)據(jù)記錄個數(shù)為3，每次當氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值時，將阻抗分析儀采集的電容信號和密閉容器的氣壓值存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫。表1給出了MySQL中存儲的電容測量值，并用MATLAB繪制出電容-壓力響應(yīng)特性曲線的理論計算值與實驗測量值得對比圖，如圖10所示。測量值與仿真值變化趨勢一致且測量值略大，可能是由測試系統(tǒng)存在的雜散電容，或者MEMS工藝產(chǎn)生的誤差造成的。

圖10 傳感器輸出電容與壓力曲線

表1 壓力傳感器實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套基于LabVIEW的MEMS壓力傳感器測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW的可視化圖形編程語言，實現(xiàn)了對壓力的在線監(jiān)測與調(diào)控。引入了MySQL，可對所測樣品添加標簽，便于數(shù)據(jù)的存儲與管理。該研究簡化了MEMS壓力傳感器的測試，對MEMS壓力傳感器的設(shè)計與集成提供了研究基礎(chǔ)，具有重要的意義。