基于LabVIEW 的直線位移傳感器快速測試系統設計及應用

黃艷，朱升賀，趙萌，高堇頔，劉順海，鄒璉

（南京晨光集團有限責任公司，南京 210006）

引言

直線位移傳感器（以下簡稱電位器）用于將測試對象的直線位移線性地轉換成直流電壓輸出，作為伺服系統的信號，實現系統的位置閉環信號。目前電位器需測試極性、零位重合性、波形、直流電阻、絕緣電阻等項目。傳統的測試方法是利用可編程電源給電位器正負端加電，再通過轉接裝置一一接入示波器、數字萬用表等測試設備開展不同項目的測試，并分別通過游標卡尺和絕緣電阻儀測試有效行程及絕緣電阻。測試過程中，需人工多次插拔轉接線，一方面測試過程繁瑣復雜，另一方面測試效率較低，且可能因人工接線錯誤產生質量隱患。隨著電位器生產數量的急劇增加，純手工測試方法已無法滿足批量化的測試需求。同時，目前電位器需單獨設計試驗系統開展壽命試驗，且試驗過程中需手動加載電壓，一方面增加了投入和維護成本，另一方面無法精確控制試驗要求。因此，需開展電位器的自動化測試及壽命試驗的集成研究。

目前國內外在自動化測試和壽命試驗系統方面開展了廣泛的研究。Sun R 等[1]利用LabVIEW 開發軟件開發了一套溫度傳感器的自動檢測系統；Silveira D D 等[2]設計出一種放大器自動測量系統；吳瑋[3]等采用基于PXIe 總線的計算機虛擬儀器系統進行構建出作動器的自動測試平臺；黃焰文[4]采用TestStand 和LabVIEW作為上位機軟件開發軟件，結合嵌入式測試設備，基于模塊化設計理念，構建了電子產品通用自動測試系統；祝軍生等[5]基于PXIe 總線設計了某伺服系統實時性自動化測試系統；Hu D 等[6]設計了一種按鈕功能耐久性自動測試系統，實現了按鍵疲勞壽命和按鍵力值的自動測試；遲婧[7]結合計算機視覺技術和虛擬儀器技術，提出了一種新的真空斷路器行程參數測量方法；王暢等[8]設計并實現了基于機器視覺的制動踏板行程測量系統。李紀強等[9]提出了圖像金字塔分層搜索式檢測與匹配特征點并擬合邊緣進行長度測量的方法；Yang B[10]提出了一種基線動態可調的雙目視覺測量系統，該系統通過改變基線長度來解決不同深度的物體定位問題；劉富品等[11]基于超聲電機設計了一種傳感器壽命試驗系統。張又衡[12]研究了以工業控制計算機為中心的車輛繼電器壽命綜合實驗臺。電位器需測試機械行程及電氣性能，其中機械行程無法通過儀器儀表直接測量，需利用視覺技術以實現機械行程的自動化測試，而目前已有的自動化測試平臺未結合測試電氣性能所需的儀器儀表和測試行程所需的機器視覺機構，無法覆蓋傳感器的所有測試項目。同時，目前的壽命試驗系統僅能開展壽命試驗，無法進行電位器的性能測試。針對以上問題，本文提出了一種基于LabVIEW 的直線位移傳感器快速測試系統。該快速測試系統不僅可以完成電位器的機械行程、電氣性能等測試項目，還可以開展壽命試驗及壽命試驗后的性能測試項目。

1 快速測試系統總體設計

快速測試系統主要由供電系統、測試工作臺、測試硬件、測試軟件4 部分組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 測試系統原理圖

供電系統為被測電位器提供電源。由于不同的電位器所加載的電壓不同，因此采用程控可調電源，滿足不同電位器對測試電源的需求。

測試硬件主要有兩個功能：

1）安裝并驅動電位器運動，測試有效行程，進行壽命試驗：

2）對被測電位器的性能參數進行采集，包括極性、零位重合性、絕緣電阻、直流電阻等。

測試軟件提供人機交互界面，一方面輸出相應的控制指令，通過測試硬件或工作臺對電位器提供激勵信號；另一方面對測試硬件采集的信號進行分析處理，并與設定值進行對比，得出測試結論，同時將測試結果自動保存。

2 系統硬件結構及原理

快速測試系統的硬件主要包括測試工作臺及電控柜，原理圖如圖2 所示。

圖2 硬件原理圖

測試工作臺包括夾具、直線電機、視覺檢測機構。主要功能如下：

1）夾具用以安裝不同型號電位器，實現不同產品的兼容測試；

2）直線電機驅動電位器拉桿在工作臺上進行往復直線運動，以檢測波形或進行壽命試驗；

3）視覺檢測機構通過相機定位，捕捉電位器導桿的行程邊緣，并進行特征點檢測與匹配，進行圖像邊緣定位，以測試機械行程。

電控柜包括工控機、可編程電源、數字萬用表、絕緣耐壓儀等。主要功能如下：

1）工控機通過通訊接口與可編程電源、數字萬用表、絕緣耐壓儀等進行通信。

2）可編程電源提供極性、零位重合性、輸出波形的電源；

3）示波器進行波形測試；

4）數字萬用表進行零位電壓、直流電阻測試；

5）絕緣耐壓儀進行絕緣電阻測試。

3 系統軟件平臺設計

3.1 軟件功能及系統結構

LabVIEW 是NI 推出的一種圖形化語言，該應用程序廣泛應用于測試、測量領域，大多數的主流測試儀器和數據采集設備都擁有專門的LabVIEW 驅動程序，同時，LabVIEW 中也含有大量的數據分析、信號處理函數及多種儀器接口，可便捷控制多種硬件設備，實現高集成化、自動化的測試系統[13,14]。采用圖形化編程語言LabVIEW 作為測試系統的軟件開發平臺，既能提供操作簡潔的人機交互界面，又能有效控制各硬件設備，同時對測試數據進行存儲和自動判讀[15][16]。

為了滿足平臺通用性的設計目標，系統采用開放式模塊化設計并細化為多個測試模塊，可組合不同測試模塊以完成產品的測試項目。軟件功能圖如圖3 所示。用戶可在不同測試模塊的操作頁面中設定參數，根據設定的參數完成單步測試。一個產品的完整項目測試是由若干子步驟組合完成的。進行壽命試驗時在操作頁面中設定試驗條件。

圖3 軟件功能圖

3.2 測試流程

針對不同型號的電位器，選用相應的測試夾具。測試前，先對測試工作臺進行復位，確保直線電機保持在中位，接著將電位器安裝到測試夾具上。打開測試系統界面，用戶在屏幕上選取電位器對應的程序，并選擇測試項目。若開展壽命試驗，需設置工作行程、工作次數、工作頻率、電壓幅值等。

測試程序先對硬件系統及各參數進行初始化，確認設備處于正常工作狀態。然后自動對被測電位器進行試驗和測試。測試過程中，將實際測試結果與預設的理論值進行比較，判斷電位器指標是否滿足要求，并實時將測試結果保存到對應的測試報告中。測試完成后，將電位器測試的合格情況顯示到人機交互界面上，同時點亮面板上相應的指示燈。系統測試流程圖如圖4 所示。

圖4 測試流程

4 測試結果分析

4.1 測試結果對比

本文提出的直線位移傳感器快速測試系統目前已成功用于多型號電位器的測試。圖4～9 為兩型號電位器利用該測試系統的部分測試結果及手工測試結果。

如圖5 所示，對比三次系統測試結果與手工測試結果，型號1、型號2 的零位重合性測試結果最大差值分別為0.171 mΩ 和0.238 mΩ，最小差值分別為0.153 mΩ和0.085 mΩ。

圖5 零位重合性測試結果

視覺檢測機構捕捉兩邊邊緣并進行擬合，完成長度測量，如圖6 所示。

圖6 機械行程邊緣捕捉畫面

機械行程測試結果如圖7 所示。

圖7 機械行程測試結果

如圖7 所示，對比三次系統測試結果與手工測試結果，型號1、型號2 的機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試，無法讀取絕緣電阻的數值，該快速測試系統可讀取絕緣數值。根據圖8，對比三次系統測試結果，絕緣測試結果具備高重復性。

圖8 絕緣電阻測試結果

如圖9 所示，對比三次系統測試結果與手工測試結果，型號1、型號2 的系統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，相對誤差分別在0.048 %和0.027 %左右。

圖9 直流電阻測試結果

根據圖5～9 測試結果，快速測試系統具備以下特征：

1）測試效率高：采用一次接線的方式，避免了使用多種測試儀器儀表時的多次插拔，并實現一鍵測試。相比傳統的人工測試，通過該快速測試系統，測試效率提高了4 倍。

2）測試重復性高：同一型號傳感器所運行程序相同，消除了人為操作帶來的差異性，測試數據重復性高。

3）測試精度高：手工測試與系統測試結果相對誤差較小，測試數據的誤差均能控制在0.5 %以內，一致性較好，可靠性較高。

4.2 不合格指標判讀

在測試過程中，系統自動判讀并識別出某電位器直流電阻指標不合格，系統報錯顯示“FAIL”，如圖10 所示。經手工測試核查，該電位器阻值超差，且手工測試值與系統測試值相對誤差較小。

圖10 不合格指標判讀頁面

4.3 壽命試驗

在系統中設置壽命試驗的工作行程、工作頻率、工作次數、電壓幅值等，電機啟動運動，并實時顯示電位器運動波形，如圖11 所示。經驗證，電機可一次性驅動電位器完成25 萬次的往復運動，實現了壽命試驗的全自動化精確控制，并可通過波形曲線實時顯示電位器狀態。

圖11 運動波形頁面

5 總結

本文針對傳統的電位器人工測試無法滿足大批量測試需求及壽命試驗系統需單獨開發這一現狀，設計了一種基于LabVIEW 的直線位移傳感器快速自動測試系統。該測試系統集成了測試所需的儀器儀表和計算機視覺技術，實現了一鍵自動測試，并具備判讀不合格指標的功能，同時，該測試系統融合了壽命試驗功能，可開展壽命試驗及試驗后的性能測試，具有操作簡單、人機交互界面友好、準確度高等特點。通過該快速測試系統，避免了人工誤操作等質量問題，測試效率提升了4 倍，且提高了壽命試驗的精度。該測試系統也可為類似電子元器件測試提供借鑒。