基于柔性測試技術(shù)的位置傳感器標定與檢測系統(tǒng)

（北京中科泛華測控技術(shù)有限公司，北京100083）

“柔性測試”技術(shù)是以測試測量系統(tǒng)的整體功能及性能為關(guān)注對象，對滿足測試測量系統(tǒng)需求的方法和手段進行研究及開發(fā)的技術(shù)，采用高性能的模塊化硬件，配合靈活高效的測試軟件來完成各種測試測量和自動化控制的應(yīng)用。它以虛擬儀器為中心，整合測試測量、機電一體化、網(wǎng)絡(luò)通訊及軟件等多種技術(shù)，以測試系統(tǒng)的精確性、準確性、可靠性、適應(yīng)性、靈活性和拓展性為研究目標；既面向應(yīng)用，又專注于測試行業(yè)的發(fā)展，推動著現(xiàn)代測試技術(shù)在實際應(yīng)用中的快速發(fā)展。

本文所述系統(tǒng)是一套基于柔性測試技術(shù)理念開發(fā)的平臺式位置傳感器標定與檢測系統(tǒng)，能夠完成對多種位置傳感器的標定與檢測。靈活的LabVIEW圖形化編程語言與高效的TestStand測試流程管理軟件相結(jié)合，集成模塊化硬件平臺以及多種通訊方式，使系統(tǒng)可以對直線位置傳感器、角度位置傳感器以及旋轉(zhuǎn)位置傳感器進行標定和檢測，既能滿足高精度的測試要求，又大大提高了系統(tǒng)的靈活性和擴展性，充分體現(xiàn)了柔性測試技術(shù)的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)原理

位置傳感器是一種磁敏感傳感器，針對不同強度的磁場會有不同的信號輸出。本系統(tǒng)采用特定的磁極在傳感器周圍移動產(chǎn)生需要的磁場，來建立標定、校準和測試該類傳感器所需的磁場環(huán)境。

經(jīng)過組裝的位置傳感器輸出的信號是不準確的，在使用前必須經(jīng)過標定、校準和檢測，只有標定后通過校準和測試的傳感器才能在實際中使用。標定和測試過程都需要在高精度的磁場變換環(huán)境中進行，系統(tǒng)采用直線與旋轉(zhuǎn)兩個工作臺實現(xiàn)對直線型、旋轉(zhuǎn)型位置傳感器的標定和檢測。同時本系統(tǒng)集成了完善的溫度控制功能，可以對傳感器的測試環(huán)境進行恒溫控制，并對需要的傳感器進行必要的恒溫環(huán)境下校準與檢測，對傳感器的輸出信號進行溫度補償，以提高對溫度影響敏感類傳感器的輸出精度。本系統(tǒng)可以建立0℃～125℃范圍內(nèi)任意溫度點的恒溫環(huán)境控制，并且可以達到較高的精度。

在完整的功能測試的模式下，系統(tǒng)會將測試箱內(nèi)的傳感器及測試夾具穩(wěn)定在一個設(shè)定的溫度，同時運動控制系統(tǒng)會控制磁極沿著傳感器磁感應(yīng)方向做步進式移動，同時采集傳感器的反饋信號作為原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)特定的算法計算出傳感器的標定參數(shù)，然后根據(jù)不同的傳感器通信協(xié)議將參數(shù)寫入傳感器的芯片，完成對傳感器的標定。如果傳感器標定需要考慮溫度的影響，可以在低溫和高溫兩個溫度下進行相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)采集和標定處理，來進行溫度的補償校準，同時系統(tǒng)還可以對經(jīng)過標定和校準的傳感器進行全功能的檢測，檢查傳感器是否符合生產(chǎn)要求，系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示。傳感器的標定和檢測流程都需要在高精度的位置控制環(huán)境下完成，本系統(tǒng)最高控制精度可以達到1 μm。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)在設(shè)計時選用了NI公司高精度、高速度的數(shù)字萬用表卡完成數(shù)據(jù)采集。同時選用了NI公司數(shù)字I/O卡來完成對傳感器、開關(guān)、按鈕等狀態(tài)信息的查詢和繼電器、電子鎖等元器件的控制，并且將設(shè)備反饋信息及時反饋到上位機進行處理。

針對被測傳感器的多樣性，系統(tǒng)設(shè)計了“柔性”的硬件平臺，即為不同種類的傳感器配置了不同規(guī)格的測試夾具或測試臺。對于直線位置傳感器,分別配置了75 mm、150 mm和225mm等多種規(guī)格的夾具，更換傳感器時，只需要更換對應(yīng)的夾具即可；對于角度位置傳感器和旋轉(zhuǎn)位置傳感器，只需要更換測試臺即可，靈活的硬件配置，使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和擴展性。

系統(tǒng)中使用的主要硬件及其功能如表1所示。

除此以外，系統(tǒng)還設(shè)計了 RS-232、CAN總線、AS-I、Device-Net、ProfiBus等5種通訊方式，可以滿足不同通訊協(xié)議的傳感器的測試需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 測試流程

系統(tǒng)測試軟件包括兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)正常運行的基本操作系統(tǒng)，選用目前應(yīng)用最廣泛的Windows操作系統(tǒng)；另一部分是測試軟件的開發(fā)平臺，選用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW結(jié)合測試流程執(zhí)行管理軟件TestStand，開發(fā)出一套多功能的平臺式測試系統(tǒng)。

本系統(tǒng)使用LabVIEW搭建人機交互界面，使用TestStand搭建測試流程執(zhí)行序列，針對不同種類的傳感器，可以在TestStand中配置不同的測試流程，每個測試流程都有對應(yīng)的Sequence文件，通過在LabVIEW中調(diào)用TestStand運行引擎，加載Sequence來完成測試功能，更換傳感器類型時，只需要加載不同的Sequence文件即可以完成對不同類型傳感器的測試，真正實現(xiàn)了平臺式測試系統(tǒng)。

測試流程如圖2所示。

表1 系統(tǒng)硬件組成及其功能

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

圖2 位置傳感器標定與測試流程

軟件啟動后，首先對系統(tǒng)硬件進行初始化，確保設(shè)備處于正常狀態(tài)。初始化之后，操作員要將傳感器放置到測試夾具上，在傳感器底部設(shè)置了光纖傳感器用來檢測被測件有無。按下開始測試按鈕后，快速加熱器首先對傳感器及其所處的環(huán)境進行加熱，待傳感器溫度穩(wěn)定后，開始對傳感器進行標定，只有標定成功的傳感器才能進行測試，如果標定不成功，則測試失敗，記錄測試數(shù)據(jù)和失敗原因，完成本次測試。標定成功后，繼續(xù)對被測件進行校準和測試，讀取被測件的測試結(jié)果，將測試值與標準值進行比較，如果測試值在標準值范圍內(nèi)，則判定該產(chǎn)品為合格品，否則為不合格品，最后對測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果進行記錄，輸出報表，并且將測試數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

圖3 軟件功能模塊

3.2 功能模塊

系統(tǒng)軟件在功能實現(xiàn)上采用模塊化的實現(xiàn)方式，即特定模塊實現(xiàn)特定功能，主要包括訂單管理模塊、數(shù)據(jù)查看模塊、調(diào)試工具模塊、參數(shù)配置模塊、操作窗口切換模塊、用戶管理模塊以及系統(tǒng)幫助模塊，每個模塊又包含不同功能的子模塊。系統(tǒng)軟件功能模塊如圖3所示。

智能位置傳感器標定與檢測系統(tǒng)平臺是中科泛華公司在原有其他傳感器測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制的。該系統(tǒng)以柔性測試技術(shù)為設(shè)計思想，采用LabVIEW結(jié)合Test-Stand作為軟件平臺，配合高性能的模塊化硬件平臺，實現(xiàn)了對多種位置傳感器進行標定和檢測的功能，是一套名副其實的平臺式測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在溫度控制、電氣控制和機械結(jié)構(gòu)控制方面均達到了高精度的測試要求，滿足測試結(jié)果的精確性和準確性。系統(tǒng)通過了GR&R測試，是一套高精度的自動化測試系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某知名傳感器生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)線上。

[1]王朝志,闞宏偉，鄧兆敏.基于虛擬儀器技術(shù)的汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008,34(3):8-10.