基于虛擬儀器的傳感器自動測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李波，何黎明，王林

0 引言

傳感器廣泛應用于工業(yè)領域中，需要適應各種工業(yè)環(huán)境，因此傳感器在環(huán)境的改變情況下性能的穩(wěn)定性就很重要，需要通過嚴格的測試才能投入使用。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中，把傳感器放置在溫度試驗箱中，由人工監(jiān)測整個測試過程，包括調整試驗箱溫度，設定溫度持續(xù)時間，定時記錄傳感器的性能參數(shù)等等，整個測試過程持續(xù)時間比較長。隨著被測試的產(chǎn)品增加，傳統(tǒng)的依靠人工系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求。本文設計了基于 PXI總線技術和虛擬儀器平臺的傳感器測試系統(tǒng)，采用了 NI的 7位半高性能數(shù)據(jù)采集卡PXI-4071和矩陣開關PXI-2503，實現(xiàn)了多個傳感器溫度性能的自動測試，改善了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中配置時間長、效率低的問題。

1 傳感器溫度的性能測試

傳感器溫度性能的測試，需要采集傳感器內阻在不同溫度下的變化規(guī)律。為了方便測量，本文通過電橋電路把傳感器電阻的變化，轉換為電橋輸出電壓的變化。采集到電壓數(shù)據(jù)后，通過處理和計算得出溫度性能參數(shù)并給出測試結果。

1.1 傳感器測試的電橋電路

圖1 傳感器測試電橋電路圖

其中，Rs1，Rs2，Rs3是3個標準電阻，R是傳感器的等效電阻，傳感器的電阻值隨著溫度變化電阻有波動。假設電源供電電壓為Vs，我們需要采集的信號為：

從上面公式可以知道Vo的變化跟傳感器電阻值R的變化成正比的。

1.2 傳感器隨溫度變化情況下的性能測試

傳感器的工作環(huán)境是多變的，有時還需要在高溫下工作。因此需要傳感器長時間保持工作的良好狀態(tài)需要做必要的測試，比如在長時間溫度不變的工作環(huán)境下以及在溫度變化的情況中，同一溫度下性能的穩(wěn)定性等等。其中溫度滯后影響是最重要的評判要素之一。假設一個測試流程如下：

溫度滯后計算方法如下：

?

其中，Vi(i=1,2…9)為流程相應的溫度點采集到的電壓信號；VR為量程壓力的輸出信號，依量程可視為常量處理。一般取溫度滯后范圍為0.06%，如果溫度滯后值大于0.06%時，判斷傳感器不合格。

2 系統(tǒng)硬件的設計

系統(tǒng)構架如圖2所示。系統(tǒng)結構主要分為基于PXI總線的溫度與電壓數(shù)據(jù)采集部分和溫度環(huán)境模擬部分。

圖2 測試系統(tǒng)結構框圖

2.1 PXI總線以及相關硬件設備的選擇

PXI（PCI eXtensions for Instruments）是 PCI總線在儀器領域的擴展。它是一種專門為數(shù)據(jù)采集以及自動化打造的模塊化儀器平臺，能滿足日益增加的對復雜儀器系統(tǒng)的需求的系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)由3個基本部分組成：機箱，系統(tǒng)控制器和外設模塊。機箱背板包含有定時和觸發(fā)總線，用于精確定時的星型觸發(fā)總線，讓高精度同步操作得以實現(xiàn)。通過MXI-3接口工具，PXI系統(tǒng)可以直接被PC或其他PXI系統(tǒng)控制，這給虛擬儀器的開發(fā)帶來了極大的方便。根據(jù)尺寸不同，機箱有4-18插槽不等，可以根據(jù)需要方便地增加外設模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展[1]。

2.2 傳感器測試環(huán)境的模擬

考慮到傳感器檢測所需要的溫度和氣壓環(huán)境，并且其狀態(tài)可以通過程序控制，因此采用espec快速溫度變化試驗箱和DHI PPC3大氣壓力控制器，模擬傳感器檢測所需要的溫度和壓力環(huán)境。Espec快速溫度變化試驗箱，是愛斯派克環(huán)境儀器公司的小型環(huán)境試驗箱，可以通過 RS485串口與工控機通訊，而且具有豐富的可編程指令系統(tǒng)，可以通過程序控制試驗箱的溫度以及試驗箱溫度采集。類似地，DHI PPC3的指令對氣壓進行控制與氣壓狀態(tài)的采集。

2.3 多傳感器測試數(shù)據(jù)的采集

為了提高檢測效率，測試采用多個傳感器同時進行測試?？紤]到有靜電和電磁干擾，我們把24個傳感器作為一組，放置在一個圓柱型金屬容器中，并給傳感器統(tǒng)一供電；考慮到容器里面和外面溫度變化速度的變化，因此有必要再在每個金屬容器中放置一個PT100，使得更準確的獲取傳感器環(huán)境的溫度值。為了自動采集多路傳感器的電壓信號，我們基于NI公司的18路插槽的PXI系統(tǒng)平臺，采用PXI-2503矩陣開關以及PXI-4071數(shù)字萬用表，PXI系統(tǒng)控制器控制PXI-2503與PXI-4071，共同協(xié)作完成自動采集。原理圖如。其中 PXI-2503是低壓多路復用器/矩陣繼電器開關，最大工作頻率高達30KHz，一共有48個接線端，并且可以根據(jù)需要選擇不同的繼電器切換模式，如24路兩線制，12路四線制等[2]。PXI-4071是高精度數(shù)字萬用表，測量范圍廣，最高精度為7位半，電壓測量范圍±10nV到 1000V，電阻測量范圍 10μΩ.到 5GΩ[3]。

圖3 PXI-2503和PXI-4071配合工作原理示意圖

2.4 環(huán)境溫度的采集

環(huán)境溫度就是工裝內部的溫度。工裝是指存放傳感器的容器，為了方便傳感器測試，傳感器是放置在工裝中的，工裝是一個閉合的金屬容器，可以防止靜電干擾，通過導線把測量信號引出至電壓測量設備。每個工裝中放置一個pt100，通過測量pt100的值來獲取工裝中的溫度值。溫度采用4線制測量方法。用 4線制法通過導線把電阻接到PXI-2503，再通過PXI-4071測量，選擇4線制電阻測量方法獲得pt100的電阻值，再轉換為相應的溫度值。原理分別如圖4和圖5所示。

圖5 兩線法電阻測量電路

圖中為電流源供電，RLead為導線電阻，Rpt為待測pt100電阻，V是電壓表，內阻為Rv。電流源電流大小為I，電壓表讀數(shù)為U，由電路分析知識可知：

所以

兩線制法測量得電阻值為

從上面的比較可以知道四線制法測量電阻更精確，實際中兩線法測量常溫下pt100溫度值為118Ω，對應溫度值為46.3℃，而四線法測量得電阻值為 110Ω，對應的溫度為25℃，顯然對PT100電阻值采用四線制法測量是有必要的。

3 軟件結構

3.1 軟件整體結構

系統(tǒng)軟件結構如圖6示。整個軟件結構主要分為兩個主要部分，系統(tǒng)參數(shù)配置部分和測試流程實現(xiàn)部分。系統(tǒng)參數(shù)配置部分的功能是設置系統(tǒng)運行的各種參數(shù)，包括串口設置，測試流程設置等等。測試流程實現(xiàn)部分功能是完成測試流程，包括測試流程選擇，實時數(shù)據(jù)顯示，工藝進度監(jiān)控以及顯示測試結果；利用LabVIEW的多線程技術，在測試流程運行的同時可以方便的完成數(shù)據(jù)分析以及處理的工作，并將測試數(shù)據(jù)以及分析結果保存為Excel文件中。

圖6 系統(tǒng)軟件結構圖

3.2 程序流程圖

整個測試系統(tǒng)軟件部分用 LabVIEW 進行開發(fā)。LabVIEW 本身是一個功能完整的軟件開發(fā)環(huán)境，同時也是一種功能強大的編程語言。一方面，由于LabVIEW采用基于流程圖的圖形化編程方式，因此也被稱為 G語言（graphical language）。因此LabVIEW的界面設計變得非常簡單，可以直接調用已有的功能圖標。另一方面，LabVIEW采用自動的多線程技術，不需要用戶去了解線程的分配等工作，只需要在程序上把數(shù)據(jù)流設計成并行的就可以達到多線程的目的[4]。這使得多線程技術的應用在LabVIEW變得非常簡單，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用更加方便和便捷。系統(tǒng)的軟件流程如圖7示。

圖7 測試系統(tǒng)軟件流程圖

4 結論

本文實現(xiàn)的多路傳感器溫度性能自動測試系統(tǒng)，以 NI公司的PXI-2503矩陣開關和PXI-4071高精度數(shù)字萬用表以及espec溫箱為硬件平臺，基于LabVIEW的軟件開發(fā)平臺，進行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集，極大地改善了傳感器測試的效率。采用新型的自動測試系統(tǒng)后，整個測試過程不需要人工的參與，節(jié)約了人力資源。

[1] 伏金春,李志武.基于PXI總線技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn).儀器儀表用戶,2006(2):31.

[2] National Instrument,NI PXI-2503userguaid,2006.

[3] National Instrument,NI PXI-4071_Specifications,2006.

[4] 楊樂平,李海濤,趙勇.LabVIEW高級程序設計.清華大學出版社.