基于LabVIEW的濕度校準(zhǔn)平臺(tái)

苗鳳娟，張冬梅，陶佰睿，顧　丁，劉文慧，孫振龍

(1．齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾　161006；2．齊齊哈爾大學(xué)招生辦公室，黑龍江齊齊哈爾　161006)

0　引言

在社會(huì)生活和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，所有測量儀器的工作狀態(tài)都必須定期校驗(yàn)，以確保儀器的性能和準(zhǔn)確度[1]。濕度傳感器在工作中常與空氣中的灰塵或化學(xué)物質(zhì)接觸，受工作時(shí)間以及環(huán)境溫度變化和機(jī)械振動(dòng)等因素影響，會(huì)導(dǎo)致濕度傳感器產(chǎn)生測量誤差。但是傳統(tǒng)濕度傳感器校準(zhǔn)儀器設(shè)備非常昂貴，操作過程繁瑣，使用極為不便。根據(jù)存在的這些局限性，可以利用虛擬儀器[2]代替真實(shí)的儀器設(shè)備，用軟件代替硬件，設(shè)計(jì)具有高性價(jià)比的檢測系統(tǒng)。文中以實(shí)驗(yàn)室的濕度源為檢測對象，設(shè)計(jì)一種以虛擬儀器為核心的濕度校準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)的組成及原理

系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。系統(tǒng)硬件主要由濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等各部分構(gòu)成。系統(tǒng)校準(zhǔn)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)校準(zhǔn)原理框圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件采集的信號(hào)由干濕球溫度計(jì)提供，利用干濕球測量法對濕度源進(jìn)行信號(hào)采集，采集到的信號(hào)由NI M 系列數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221傳至主機(jī)并通過LabVIEW平臺(tái)對信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。同以往的校準(zhǔn)系統(tǒng)相比，無需測試轉(zhuǎn)換儀器和設(shè)備，系統(tǒng)得到簡化，應(yīng)用較靈活。

2　構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境

2．1校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

濕度傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)部分和電氣部分，其中平臺(tái)結(jié)構(gòu)部分主要是校準(zhǔn)腔的結(jié)構(gòu)。腔內(nèi)設(shè)計(jì)采用絕緣板和泡沫隔熱板。校準(zhǔn)腔內(nèi)分別安裝有調(diào)速風(fēng)扇、半導(dǎo)體制冷裝置、PTC加熱器；另外，在腔內(nèi)擺放飽和鹽溶液、干濕球[3]濕度計(jì)和待校準(zhǔn)的濕度傳感器。濕度傳感器校準(zhǔn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　濕度校準(zhǔn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)通過7種金屬鹽的飽和溶液來實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的濕度環(huán)境。不同飽和鹽溶液的標(biāo)準(zhǔn)濕度如表1所示[4-6]。在25℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，采集干濕球濕度響應(yīng)，看測得結(jié)果與飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)濕度值的誤差；經(jīng)多次測量后，若相對濕度誤差不超過±3%RH，表明金屬飽和鹽溶液構(gòu)建的不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境是切實(shí)可行的。

表1　金屬鹽飽和溶液標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境

2．2校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

利用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡控制風(fēng)扇速度恒為2.5 m/s，此時(shí)讓繼電器控制加熱器開始工作。當(dāng)溫度達(dá)到20℃時(shí)，提高繼電器的工作頻率；當(dāng)溫度達(dá)到24℃時(shí)，加熱器停止加熱；當(dāng)溫度超過25℃時(shí)，制冷器開始工作；在此過程中干球溫度計(jì)一直對密閉腔內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將結(jié)果通過LabVIEW進(jìn)行顯示。重復(fù)操作此過程，直到密閉腔內(nèi)的溫度穩(wěn)定在25℃時(shí)，保持此時(shí)的工作狀態(tài)，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)GB 6999-86(中華人民共和國環(huán)境試驗(yàn)用相對濕度差算表)，在LabVIEW中置入數(shù)據(jù)庫，如圖3所示，預(yù)先錄入干球溫度、濕球溫度，對應(yīng)的相對濕度值，以Excel表格形式進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。然后將濕度傳感器校準(zhǔn)平臺(tái)環(huán)境溫度控制在25℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，風(fēng)速2.5 m/s，LabVIEW平臺(tái)將實(shí)時(shí)采集干、濕球溫度并計(jì)算其差值，取最大溫差后計(jì)算其對應(yīng)的相對濕度并顯示。

圖3　啟動(dòng)Excel的程序框圖

文中是以電容型濕度傳感器為例進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。針對其他類型濕度傳感器，可以設(shè)計(jì)外接調(diào)理電路模塊，來實(shí)現(xiàn)功能拓展[7]。

3　校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)箱LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬儀器前面板作為人機(jī)的交換界面，無論從可操作性還是外觀美化都有很高的要求，而且在此基礎(chǔ)上也可以幫助我們更好地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)。

3．1平臺(tái)主菜單設(shè)計(jì)

在平臺(tái)主菜單的設(shè)計(jì)過程中，為了方便軟件控制系統(tǒng)的各個(gè)子VI間的切換，設(shè)計(jì)了平臺(tái)主菜單。該菜單采用數(shù)組函數(shù)調(diào)用子VI的方法來實(shí)現(xiàn)框圖程序。3個(gè)功能模塊子VI．vi函數(shù)及Index Array．vi函數(shù)之間的相互連接如圖4所示。調(diào)用各個(gè)模塊VI的控制前面板如圖5所示。

圖4　采用數(shù)組函數(shù)調(diào)用子VI方法對應(yīng)的框圖程序

圖5　測試系統(tǒng)主菜單

3．2干濕球采集界面

設(shè)計(jì)利用LabVIEW中的DAQ assistant數(shù)據(jù)采集助手來實(shí)現(xiàn)仿真物理量的實(shí)時(shí)測量。用Express．vi 顯示該平臺(tái)名稱、當(dāng)前采集時(shí)間；由DAQ采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過Filter．vi進(jìn)行濾波，并輸出濾波后的信號(hào)；同時(shí)采集干濕球數(shù)據(jù)；將兩個(gè)濾波動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分離，分離后提取信號(hào)特征量；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用Email with Date．vi進(jìn)行存儲(chǔ)[8-9]。干濕球前面板的運(yùn)行過程如圖6和圖7所示，采集與存儲(chǔ)狀態(tài)后面板如圖8所示。

圖6　采集過程部分圖

圖7　干濕球采集前面板

3．3調(diào)理電路

文中需要校準(zhǔn)的濕度傳感器是將非電量的環(huán)境濕度值轉(zhuǎn)換成電量的電容值，實(shí)現(xiàn)非電量向電量的轉(zhuǎn)換。待校準(zhǔn)的濕度傳感器輸出的電容特征量不便于記錄與分析，因此需要將電容特征量轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟?jì)算機(jī)直接進(jìn)行處理與存儲(chǔ)的信號(hào)—頻率信號(hào)。電容頻率轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。

當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，待測濕度傳感器等效電容CH發(fā)生改變，從而多諧振蕩器輸出的振蕩頻率[10]發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)振蕩電路工作原理可知，該輸出頻率與濕度傳感器的等效電容值將形成一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，可以通過振蕩電路輸出頻率大小來表示環(huán)境相對濕度值的大小。

圖8　采集與存儲(chǔ)狀態(tài)后面板

圖9　電容頻率轉(zhuǎn)換電路

振蕩周期主要由兩部分組成，其值分別為電容CH的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2，即

T1=R1CHln2

(1)

T2=R2CHln2

(2)

振蕩周期為

T=(R1+R2)CHln2

(3)

振蕩頻率為

f0=1/T=1/[(R1+R2)CHln2]

(4)

通過式(1)和式(2)可知，可以調(diào)節(jié)R1和R2的值改變輸出振蕩周期和頻率，校準(zhǔn)過程中可以通過調(diào)節(jié)RP來獲得一個(gè)較理想的頻率輸出范圍，以便后續(xù)數(shù)據(jù)采集卡工作點(diǎn)正常。

此外從式(4)中知道當(dāng)R1和R2固定不變時(shí)，電容CH與輸出頻率fo形成一對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，這一關(guān)系定義為濕度傳感器電容一頻率輸出函數(shù)，即當(dāng)環(huán)境濕度變化引起濕度傳感器等效電容CH改變時(shí)，表現(xiàn)為多諧振蕩器的輸出振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，通過這一轉(zhuǎn)換電路，得到了頻率輸出信號(hào)。

3．4頻率采集界面

頻率采集中，用DAQmx Create Virtual Channel．vi設(shè)置采集通道、采集時(shí)間等量；DAQmx Start Task．vi開始采集數(shù)據(jù)[11]；DAQmx Read．vi對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)組至電子表格轉(zhuǎn)換函數(shù)，轉(zhuǎn)換成表格后用Write characters to file．vi進(jìn)行存儲(chǔ)[12]。頻率采集前面板如圖10所示。

圖10　頻率采集前面板

3．5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

干濕球采集模塊與頻率采集模塊運(yùn)行中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　濕度傳感器校準(zhǔn)

4　結(jié)束語

文中研究的是濕度傳感器校準(zhǔn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)濕度校準(zhǔn)范圍11.3%RH～97.6%RH內(nèi)的校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對電容式濕度傳感器校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的研究成果及設(shè)計(jì)理念做到了理論聯(lián)系實(shí)際，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值。因此基于以上情況，濕度傳感器的校準(zhǔn)裝置對實(shí)際生活及工業(yè)需要有重要的意義。

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