某型壓力傳感器溫度性能自動測試系統(tǒng)設計

周彥凱，姚文穎，姜會菊

（石家莊海山實業(yè)發(fā)展總公司，石家莊 050208）

0 引言

電阻應變式壓力傳感器已經(jīng)廣泛應用于商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領域[1]，應變片性能容易受到溫度變化的影響，需要在產(chǎn)品檢測時進行測量并加以補償[2]，以實現(xiàn)傳感器全溫度范圍內(nèi)的性能優(yōu)化。在某型電阻應變式壓力傳感器修理過程中，溫度測試以人工方式進行，測試效率低、人員占用高，本文以LabVIEW軟件為基礎[3]，通過設計自動測試系統(tǒng)，對該型傳感器的性能數(shù)據(jù)進行采集、處理和存儲，為類似原理傳感器的修理提供了參考依據(jù)。

1 測試需求

該電阻應變式壓力傳感器以惠斯通電橋[4]（如圖1）為基礎，電橋由4組阻值相等的應變片組成，Ui為穩(wěn)定的直流電壓源，為傳感器提供電源輸入，Uo為傳感器的輸出電壓。在壓力傳感器不受力時，電橋中各電阻分壓相同，電路輸出為0；當壓力傳感器受到外界壓力作用時，應變片阻值改變，使電橋失去平衡，輸出電壓為U0=(Δr/R) Ui。當輸入電壓Ui為定值時，輸出電壓U0與電阻變化量Δr成比例。應變片將壓力產(chǎn)生的微小形變量，轉(zhuǎn)化為應變片阻值的變化，最終以電壓的形式輸出，實現(xiàn)壓力到電壓的線性輸出。

測試系統(tǒng)在完成性能數(shù)據(jù)采集的基礎上，對數(shù)據(jù)進行保存、輸出，并對測得數(shù)據(jù)的正確性進行判斷。傳感器測試系統(tǒng)的測試需求如下。

1）多通道傳感器電壓測試。該壓力傳感器為多余度傳感器，測試系統(tǒng)至少需要完成8路模擬電壓采集，電壓范圍為-10～10 V，精度為1%。

2）傳感器穩(wěn)定性測試。在產(chǎn)品通電的情況下，對傳感器-55～70 ℃溫度范圍內(nèi)的性能進行測試以驗證傳感器全溫度范圍性能。

3）電源自動加載控制功能。為實現(xiàn)傳感器性能的全自動測試，需要測試系統(tǒng)能夠在測試過程中對傳感器電源的加載、切斷進行控制。

4）實現(xiàn)各溫度下數(shù)據(jù)的自動測試。通過測試系統(tǒng)搭建，完成傳感器數(shù)據(jù)的自動采集、處理、保存功能，以及友好的人機交互界面。

2 系統(tǒng)及硬件設計

通過對測試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)和性能的需求分析，結(jié)合實際測試系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、模塊化等要求對系統(tǒng)進行設計。測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓力傳感器性能測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 工控機

工控機作為測試系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集模塊控制、電源控制模塊的控制、人機交互接口設置，以及最終數(shù)據(jù)打印輸出等功能。其選型主要考慮外部接口數(shù)量、類型、性能等因素。綜合市場上現(xiàn)有的工控機生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品，選擇ADLINK品牌下的MXC-6321D系列工控機，采用Intel i7處理器，DDR3 4GB內(nèi)存條，具備多個USB、RS232、RS485等工業(yè)控制接口，能夠為測試系統(tǒng)建立提供廣泛的硬件基礎。

2.2 直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源用于為傳感器提供穩(wěn)定、純靜的電源，需滿足傳感器對電壓范圍、功率、紋波等特性的要求。系統(tǒng)選用華睿電子的HR-115直流穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓輸出范圍為直流0～30 V，恒流值0～100 A，能夠滿足傳感器對電源的要求。

2.3 電源控制模塊

電源控制模塊用于接收工控機發(fā)出的控制信號，實現(xiàn)傳感器電源通斷控制。本系統(tǒng)選用集智達公司的RemoDAQ-8068繼電器控制模塊。該模塊為8路繼電器控制模塊，具備RS-485控制端口，內(nèi)置專用控制命令集，能夠通過編程實現(xiàn)各繼電器的分時控制要求，觸點具有30 V時2 A的分斷能力，能夠滿足傳感器電源分斷要求。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是將傳感器輸出的電壓值轉(zhuǎn)化為工控機可以直接處理的數(shù)字信號。當前數(shù)據(jù)采集方式主要分為兩種：1）采用通用數(shù)據(jù)采集單元，該方式具有模塊化程度高、配置簡單、穩(wěn)定性高、測量類型多、控制接口配置簡便等特點；2）采用嵌入式采集板卡，其占用系統(tǒng)空間小，采集速度快，通道集成度高，但安裝、配置過程較復雜?？紤]盡量使系統(tǒng)簡單易用、維護方便，本系統(tǒng)采用安捷倫公司的34972A數(shù)據(jù)采集/切換單元與34901A多路復用器結(jié)合，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。34972A內(nèi)置6位半數(shù)字多用表，單通道讀取速度為每秒500個讀數(shù)，掃描范圍高達250個通道，配備通用RS-232串行接口，便于遠程控制；34901A具有20個通道的多路復用功能，輸入最大電壓為300 V，輸入最大電流為1 A，最大切換功率為50 W。該配置在滿足系統(tǒng)要求的前提下，能夠有效地簡化設計開發(fā)過程，增加系統(tǒng)可靠性。

2.5 高低溫箱

高低溫箱的選擇主要考慮溫度范圍、精度、程控性等。系統(tǒng)選用德國進口賓得MKT115型高精度冷熱測試箱，其溫度范圍為-70～180 ℃，溫度精度為±2 ℃，采用微電腦程控技術(shù)，實現(xiàn)手動和自動控制功能，可以配合自動測試程序，實現(xiàn)整個溫度性能測試的全自動化。

2.6 硬件系統(tǒng)搭建

通過系統(tǒng)硬件選型，建立壓力傳感器溫度性能測試系統(tǒng)，設備布局如圖3所示?？紤]人體力學和操作方便性，將顯示和操縱結(jié)構(gòu)置于機柜的中央，打印機放置于工控機下方，方便頻繁取放紙張。

圖3 系統(tǒng)設備布局圖

3 傳感器測試系統(tǒng)軟件設計

本壓力傳感器測試系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集控制程序、直流電源控制程序、數(shù)據(jù)報表生成程序和溫度測試主程序等部分組成。程序以LabVIEW 圖形化語言[5-10]為基礎，通過模塊化設計實現(xiàn)程序的封裝，提高模塊的復用性。

3.1 數(shù)據(jù)采集控制程序設計

數(shù)據(jù)采集控制程序主要用于34972A數(shù)據(jù)采集/切換單元的控制，通過RS-232接口對數(shù)據(jù)采集模塊進行狀態(tài)的設置，并發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令、讀回數(shù)據(jù)采集結(jié)果，對測試結(jié)果進行處理并封裝，以便在主程序中進行調(diào)用。數(shù)據(jù)采集控制程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制程序流程圖

3.2 直流電源控制程序設計

直流電源控制程序主要完成電源通斷控制。電源控制模塊RemoDAQ-8068采用RS-485串口進行控制，控制程序流程如圖5所示。

圖5 直流電源控制程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)報表程序設計

數(shù)據(jù)報表程序的主要功能是將測試數(shù)據(jù)進行格式化輸出，以便后期打印存檔。本系統(tǒng)采用Excel和ActiveX 相結(jié)合的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表。以Excel為模板，通過ActiveX 接口完成數(shù)據(jù)的寫入操作，該方法無需購買 LabVIEW專用插件，在安裝Office的系統(tǒng)上就可使用，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，具有較強的適應性。數(shù)據(jù)報表流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)報表程序流程圖

3.4 壓力傳感器溫度性能測試主程序設計

壓力傳感器溫度性能測試程序需要對壓力傳感器全溫度范圍內(nèi)的溫度點進行測試，每個溫度點需要先完成保溫存儲，使傳感器溫度穩(wěn)定，再對傳感器進行通電、測量，測量完成后關(guān)閉電源，然后溫箱進入下一個溫度點進行保溫，直到完成所有的溫度點測試。根據(jù)不同需求，將溫度測試分為高溫測試、低溫測試和高低溫測試3種方式。具體流程如圖7所示。

圖7 壓力傳感器溫度性能自動測試系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)語

在測試系統(tǒng)硬件搭建和軟件編寫完成后，對硬件參數(shù)進行配置，并通過軟件對各個模塊的功能進行測試、驗證，各模塊性能正常。通過系統(tǒng)驗證，軟硬件各項性能能夠滿足設計需求。采用壓力傳感器產(chǎn)品對系統(tǒng)進行重復試驗驗證，壓力傳感器溫度性能自動測試系統(tǒng)的功能滿足設計要求。

基于電阻應變式壓力傳感器原理和LabVIEW可視化程序語言，建立某型壓力傳感器溫度性能自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)壓力傳感器全溫度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)自動測量、報表生成及數(shù)據(jù)打印輸出等功能，有效提高了壓力傳感器溫度測試的效率。該系統(tǒng)建立過程由硬件設計和軟件編程兩部分組成，具有較高的硬件靈活性和軟件擴展性，可根據(jù)不同的測試需求對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、分析和報表輸出等操作進行靈活擴展，便于其他傳感器測試人員開展針對性的測試工作。