多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研制

楊洪勝 姚進(jìn) 楊振華

1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 610065

2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所 62100

多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研制

楊洪勝1姚進(jìn)1楊振華2

1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 610065

2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所 62100

基于計(jì)算機(jī)終端技術(shù)，研制了一種多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的工作原理，構(gòu)成和自動(dòng)校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)結(jié)果滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。

多通道；壓力傳感器；校準(zhǔn)

multi-channel; pressure sensor; calibration

1、引言

壓力傳感器廣泛應(yīng)用工業(yè)制造、自動(dòng)化控制、航空航天、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、軍事等領(lǐng)域。為了保證壓力傳感器能準(zhǔn)確反應(yīng)檢測(cè)對(duì)象的真實(shí)狀況，對(duì)傳感器進(jìn)行定期校準(zhǔn)和抽樣檢驗(yàn)具有重要意義。

壓力傳感器的檢定是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。壓力傳感器的傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式是通過(guò)手動(dòng)完成，工作效率低，而且由于校準(zhǔn)過(guò)程操作環(huán)節(jié)多而繁瑣，容易引入人為誤差，對(duì)壓力傳感器性能參數(shù)確定帶來(lái)較多的不確定性。建立一套多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，能高質(zhì)量、快速完成多個(gè)壓力傳感器的校準(zhǔn)，還可避免傳統(tǒng)校準(zhǔn)方存在的人為失誤帶來(lái)的弊端，對(duì)提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高校準(zhǔn)精度有重要意義。我們采用計(jì)算機(jī)終端通訊技術(shù)成功研制出了一種多通道的壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的主要工作原理流程是通過(guò)終端通訊連接技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)給高精度壓力控制器、多通道數(shù)據(jù)采集器發(fā)布控制指令，使壓力傳感器獲得由高精度壓力控制器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力并輸出相應(yīng)信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集器采集傳感器輸出信號(hào)并返回計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)分析處理的循環(huán)過(guò)程，最后自動(dòng)生成傳感器校準(zhǔn)證書(shū)、文檔的校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件部分是在RUSKA7215i的基礎(chǔ)上通過(guò)相應(yīng)的擴(kuò)展，構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)終端通訊技術(shù)的硬件平臺(tái)，軟件系統(tǒng)利用微軟公司的開(kāi)發(fā)軟件visual studio 6.0開(kāi)發(fā)了設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理軟件。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)測(cè)試條件和實(shí)際檢測(cè)設(shè)備，多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括電子計(jì)算機(jī)、高精度壓力控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、打印機(jī)、真空泵、高壓氮?dú)庠吹扔布O(shè)備組件，通過(guò)計(jì)算機(jī)的RS232接口組網(wǎng)連接。壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)的基本硬件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

多路壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是對(duì)硬件系統(tǒng)各組件的有效整合，是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、有效工作的核心組成部分之一，是各部件控制和數(shù)據(jù)通訊的邏輯紐帶。軟件系統(tǒng)將高精度壓力控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、打印機(jī)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載、自動(dòng)判穩(wěn)、數(shù)據(jù)采集等一系列自動(dòng)化過(guò)程，同時(shí)還設(shè)計(jì)了壓力傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，可以對(duì)傳感器信息、校準(zhǔn)證書(shū)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行更有效的管理和檢索。系統(tǒng)軟件包括傳感器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和系統(tǒng)維護(hù)四大核心模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3、關(guān)鍵技術(shù)

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

壓力傳感器校準(zhǔn)模塊是多通道壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的最基本模塊，其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載校準(zhǔn)功能是系統(tǒng)最根本的功能，自動(dòng)校準(zhǔn)程序流程如圖3。系統(tǒng)可根據(jù)需要對(duì)壓力傳感器的校準(zhǔn)環(huán)境、校準(zhǔn)參數(shù)、工作載荷、預(yù)警提示等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)管理控制由軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)，主要包括登錄管理模塊，校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置模塊，環(huán)境參數(shù)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)采集分析模塊，曲線顯示模塊，報(bào)警提示模塊和證書(shū)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(jìn)行封裝，保證各模塊相對(duì)獨(dú)立性，這能有效確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、良好的維護(hù)性和移植性。為了實(shí)現(xiàn)傳感器多通道自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊功能，系統(tǒng)采用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 系統(tǒng)防鎖死釋放功能

在自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程中，為避免程序在校準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有響應(yīng)，或在壓力穩(wěn)定等待時(shí)間超過(guò)設(shè)置時(shí)間限和其他異常情況下，通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)控制權(quán)限等級(jí)，采用DoEvents語(yǔ)句來(lái)釋放系統(tǒng)控制權(quán)， 確保自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程中系統(tǒng)流暢運(yùn)行和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時(shí)，系統(tǒng)采用自動(dòng)/手動(dòng)兩種校準(zhǔn)模式，保證在自動(dòng)校準(zhǔn)失效情況下可采用手動(dòng)方式進(jìn)行，確保校準(zhǔn)工作的連續(xù)性。

3.2 施加載荷自判穩(wěn)功能

作為自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，必須具有對(duì)所加載荷進(jìn)行自判穩(wěn)識(shí)別功能。對(duì)傳感器施加的標(biāo)準(zhǔn)壓力后，讀取高精度壓力控制器的狀態(tài)寄存器，并輔以一定的延時(shí)，循環(huán)判穩(wěn)3次以上，比較狀態(tài)寄存器數(shù)值差值是否小于設(shè)定判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，從而確保自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程中采集到的是處于穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)壓力。

3.3 數(shù)據(jù)判穩(wěn)功能

在自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程中，為了獲得有效、穩(wěn)定的測(cè)試數(shù)據(jù)，除對(duì)傳感器承載載荷進(jìn)行判定外，對(duì)傳感器相應(yīng)輸出信號(hào)的判讀具有重要意義，通常采用軟件延時(shí)處理。為了更好確保數(shù)據(jù)有效、穩(wěn)定性，在系統(tǒng)研制過(guò)程，系統(tǒng)既采用了相應(yīng)的軟件延時(shí)技術(shù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集器觸發(fā)進(jìn)行硬件設(shè)置，提升穩(wěn)定延時(shí)時(shí)間，使每個(gè)觸發(fā)信號(hào)周期能連續(xù)采樣10以上有效數(shù)據(jù)，還進(jìn)一步提高了信號(hào)采樣速度。這可以保證在一個(gè)有效采樣周期內(nèi)取得更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，提高了數(shù)據(jù)判穩(wěn)的可操控性。

3.4 傳感器標(biāo)定結(jié)果數(shù)據(jù)規(guī)范化

在軟件系統(tǒng)中，建立統(tǒng)一校準(zhǔn)證書(shū)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的模板文檔，對(duì)傳感器規(guī)范化管理意義重大。為此，在軟件系統(tǒng)研制過(guò)程中使用OLE嵌入技術(shù)，采用統(tǒng)一格式的證書(shū)模板。在壓力傳感器校準(zhǔn)初期，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，在校準(zhǔn)完畢后即可生成完備的壓力傳感器證書(shū)。同時(shí)，為有效保存每只傳感器校準(zhǔn)流程的數(shù)據(jù)，減少了人為因素帶來(lái)的失誤，加入了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的有效溯源和必要時(shí)的對(duì)比檢索。

3.5 傳感器輸出波動(dòng)有效控制

理論上講，在經(jīng)過(guò)上述關(guān)鍵技術(shù)處理后，壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)可以投入實(shí)際運(yùn)行，但是在系統(tǒng)整體調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)在加載壓力穩(wěn)定時(shí)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的微小波動(dòng)，這種輸出波動(dòng)特性呈現(xiàn)一定規(guī)律性，且在模擬輸出的壓力傳感器上尤為明顯。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較分析發(fā)現(xiàn)，主要原因是壓力傳感器的壓力輸入存在一定的波動(dòng)，波動(dòng)源主要是由高精度壓力控制器RUSKA7215i內(nèi)部壓力輸出閥門(mén)的頻繁切換所致。對(duì)RUSKA壓力輸出閥門(mén)的響應(yīng)特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，輸出閥相應(yīng)是在其固有的頻率作微小的波動(dòng)，在對(duì)壓力傳感器的輸出進(jìn)行軟件濾波處理，消除標(biāo)定系統(tǒng)硬件帶來(lái)的波動(dòng)誤差。

4、壓力傳感器數(shù)據(jù)及誤差處理

多通道壓力傳感器系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)分析和誤差處理方法嚴(yán)格遵循壓力傳感器性能測(cè)試國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB/T15478-1995壓力傳感器性能試驗(yàn)方法、中國(guó)計(jì)量科學(xué)院1994制定的壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)規(guī)程（JJG860-94）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

4.1 數(shù)據(jù)處理

線性傳感器工作特性方程一般形式為Y＝a＋bX，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)擬合方法。多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理采用最小二乘直線擬合法，對(duì)傳感器的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，設(shè)置m個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行n次循環(huán)壓力校準(zhǔn)試驗(yàn)，在每一個(gè)校準(zhǔn)幾點(diǎn)上分別有n個(gè)正行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和n個(gè)反行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，具體公式如下。

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

YDij——反行程第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)第j次的示值。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

圖3 自動(dòng)校準(zhǔn)程序流程

最小二乘法擬合直線系數(shù)：

Xi第i個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的壓力值（i=1,2,3,…, m）,Yi第i個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的正反行程的總平均值, m為校準(zhǔn)設(shè)置點(diǎn)數(shù)。

4.2 誤差處理

壓力傳感器誤差處理涉及重復(fù)性分析和精確度計(jì)算。

4.2.1 重復(fù)性

采用貝塞爾公式分別計(jì)算每個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)上正反行程的子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差：

n ——重復(fù)次數(shù)；m——校準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)；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(mǎn)量程輸出值。

4.2.2 精確度

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

線性傳感器的系統(tǒng)誤差帶U1，采用最小二乘直線法。

正行程的系統(tǒng)誤差為：

5、應(yīng)用情況

多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研制完成后，采用多種壓力傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，結(jié)果表明多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和達(dá)到了下列功能和指標(biāo)（如表1），系統(tǒng)運(yùn)行截面如圖4。

表1 壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)功能指標(biāo)

下面是對(duì)昆山雙橋傳感器有限公司生產(chǎn)的PDCR系列某絕壓傳感器在多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)上進(jìn)行的校核對(duì)比分析結(jié)果。表2是系統(tǒng)判穩(wěn)后進(jìn)行的9次采集數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出自動(dòng)判穩(wěn)壓力后的數(shù)據(jù)波動(dòng)值在系統(tǒng)誤差的許可范圍內(nèi)，說(shuō)明自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的判穩(wěn)是可靠的。

由于壓力傳感器本身系數(shù)的年飄移量相對(duì)較大和測(cè)試環(huán)境差異影響，對(duì)不同期的壓力傳感器校準(zhǔn)后的性能對(duì)比性分析意義不大，但通過(guò)對(duì)同期傳感器多次校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)具有重要參照意義。表3是自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)該壓力傳感器進(jìn)行同期多次校準(zhǔn)后的系數(shù)對(duì)比情況，數(shù)據(jù)結(jié)果表明同期傳感器校準(zhǔn)的系數(shù)誤差在0.03%以?xún)?nèi)，校準(zhǔn)系數(shù)的差值引起的壓力計(jì)算誤差在10Pa以?xún)?nèi)，壓力傳感器系數(shù)的校準(zhǔn)精度十分理想。圖5為同時(shí)進(jìn)行5只傳感器校準(zhǔn)的界面圖。

表2 數(shù)據(jù)判穩(wěn)比較

圖4 多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)程序運(yùn)行界面

表3 系數(shù)對(duì)比

圖5 多只傳感器同時(shí)校準(zhǔn)結(jié)果界面

6、結(jié)論

多通道壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心控制單元，利用計(jì)算機(jī)終端通訊技術(shù)，將高精度壓力控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器有機(jī)整合，完成壓力傳感器的循環(huán)加載、傳感器數(shù)據(jù)采集、靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算、誤差分析、自動(dòng)生成證書(shū)文件和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)溯源文檔庫(kù)等功能，校準(zhǔn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。系統(tǒng)研制成功以來(lái)，已對(duì)百臺(tái)壓力傳感器的完成校準(zhǔn)工作，并成功應(yīng)用到多種領(lǐng)域，取得了良好的效益。

相對(duì)傳統(tǒng)的單步手動(dòng)校準(zhǔn)方式，多路壓力傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)有效提高了校準(zhǔn)效率和質(zhì)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(zhǔn)和檢定能力，實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)完全能滿(mǎn)足多種壓力傳感器校準(zhǔn)的需要。同時(shí)，該系統(tǒng)具有良好的可拓展性，通過(guò)必要的硬件擴(kuò)展和軟件二次開(kāi)發(fā)，可對(duì)壓力實(shí)現(xiàn)傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試和遠(yuǎn)程控制。

[1]GB/T15478-1995, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),壓力傳感器性能試驗(yàn)方法[S],1995

[2]JJG860-94, 中國(guó)計(jì)量科學(xué)院,壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)規(guī)程[S],1994

[3]Q/GSS 312-2005, 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所,風(fēng)洞壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)規(guī)范[S],2004

[4]RUAKA7215i用戶(hù)手冊(cè)

[5]FLUCK34401A 用戶(hù)手冊(cè)

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(xué)研究生，工程師，主要從事CAD/CAE、機(jī)械制造和自動(dòng)控制研究；

姚進(jìn)（1977.4～），男，教授，四川大學(xué)博士生導(dǎo)師，主要從事CAD/CAE/CAM及機(jī)械制造研究；

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