基于LabVIEW設(shè)計(jì)的建筑壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛萍萍

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710100）

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的建筑壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛萍萍

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710100）

在傳感器設(shè)計(jì)過程中壓阻式壓力傳感器存在的主要問題是溫度飄移和非線性問題，這種問題影響傳感器性能的發(fā)揮，所以必須對(duì)傳感器實(shí)施性能補(bǔ)償，彌補(bǔ)測(cè)量誤差。本文主要通過設(shè)計(jì)一種LabVIEW壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)來完善感器校準(zhǔn)功能，利用軟件設(shè)置和硬件設(shè)計(jì)，并通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證明校準(zhǔn)裝置的精確度和穩(wěn)定性，以便設(shè)計(jì)出高性能的傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足壓阻式壓力傳感器穩(wěn)定性和精確度，并使其穩(wěn)定性和精確度提高了72%、76%。

LabVIEW；壓阻式；壓力傳感器；校準(zhǔn)系統(tǒng)

LabVIEW式壓阻式壓力傳感器具有其他傳感器所所沒有的性能，比如其具有較高的靈敏度和精確度，而且體積比較小，可靠性高，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航天航空領(lǐng)域。壓阻式壓力傳感器在應(yīng)用過程中存在溫度補(bǔ)償和非線性樣式問題，一般系統(tǒng)會(huì)通過軟件和硬件兩種方式實(shí)施補(bǔ)償設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)對(duì)溫度飄移和非線性的控制。

文中主要利用LabVIEW設(shè)計(jì)對(duì)壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，以便提高其應(yīng)用性能。

1 系統(tǒng)概括

壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)是一種基于LabVIEW的傳感器輸出校準(zhǔn)模塊，能夠應(yīng)用于各種傳感器輸出系統(tǒng)的修正和補(bǔ)償中，并采用上下位機(jī)方式構(gòu)建智能校準(zhǔn)系統(tǒng)，并按照一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行修正分析，壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)總體框架見圖1。

系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)動(dòng)出采集命令后，上位機(jī)實(shí)施命令節(jié)接受和分析，并在此過程中完成溫度和壓力的處理，然后將分析后的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)采集的新型號(hào)進(jìn)行規(guī)范化處理，并計(jì)算擬合系數(shù)，并將階段結(jié)果發(fā)送到下位機(jī)系統(tǒng)中，最后下位機(jī)將信息存儲(chǔ)為傳感器中加以修正處理。

圖1 壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)總體框架

2 傳感器系統(tǒng)硬件選型和校對(duì)

2.1 傳感器選型

本次研究采用的壓力傳感器為NS-WL1型壓阻式拉壓傳感器，此傳感器采用的結(jié)構(gòu)為懸臂剪切結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有較高的穩(wěn)定性和精確度，安裝起來比較簡(jiǎn)單，工藝成熟度高。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定電壓：0～12 V，額定輸出電壓：0～5 V，荷載：500 kg；精確度：0.05%，零點(diǎn)輸出：＜±1，非線性≤±0.02，重復(fù)性≤±0.021。

2.2 傳感器校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般情況下，基于LabVIEW設(shè)計(jì)的壓阻式壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有較大的線性范圍，在測(cè)量?jī)x表的輸出和輸入量之間存在線性關(guān)系，這種關(guān)系能夠保證儀表在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)具有相同的靈敏度，有利于信息的處理和讀取。壓力傳感器在非電量測(cè)量中一般利用各種類型的傳感器進(jìn)行電量轉(zhuǎn)換，在實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中由于受多方面因素的限制，可能會(huì)存在誤差，為了保障測(cè)量?jī)x表輸出系統(tǒng)之間的線性關(guān)系，必須對(duì)傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償，補(bǔ)償系統(tǒng)各種誤差。壓力傳感器的校準(zhǔn)硬件一般采用杠桿式載荷，結(jié)合計(jì)量學(xué)性能進(jìn)行杠桿組合，結(jié)合國家規(guī)定的校對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施校準(zhǔn)分析，將壓力傳感器的載荷進(jìn)行分析、校準(zhǔn)。

3 傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次研究采用的是NI公司生產(chǎn)的一種數(shù)據(jù)采集卡6024E，并將其作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行分析，通過LabVIEW6.0軟件實(shí)施數(shù)據(jù)采集和顯示。利用這種方法進(jìn)行系統(tǒng)分析的過程中我們主要采用對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)字化分析，包括對(duì)通道、設(shè)備好評(píng)及采樣率的分析。數(shù)據(jù)采集一般會(huì)通過信號(hào)條理分析后被保存在磁盤中，傳感器的活動(dòng)長(zhǎng)度被改變以后記錄下校準(zhǔn)程序的電壓值進(jìn)行下一步的分析。傳感器安裝在校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)上后利用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)模擬分析，首先對(duì)數(shù)據(jù)采集實(shí)施初始化設(shè)置，每次對(duì)壓力傳感器活動(dòng)桿長(zhǎng)度記錄下以后，要及時(shí)記錄電壓值數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果分析，并得出校準(zhǔn)方程式。

3.2 信號(hào)調(diào)理分析

傳感器在工作過程中輸出的模擬信號(hào)相對(duì)比較微弱，所以在分析的過程中應(yīng)該將信號(hào)進(jìn)行調(diào)理分析，將原有的信號(hào)放大至A/D范圍內(nèi)，便于以后實(shí)施傳感器數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)具有編程增益放大器作用，能夠?qū)DC進(jìn)行放大輸入，能夠設(shè)置的放大倍數(shù)有2、4、6、16、64等。本次研究的壓力傳感器一般為2 mV/V，橋壓一般為10 V，輸出電壓設(shè)定為20 mV，PGA的放大倍數(shù)一般設(shè)置為8。

3.3 通訊接口設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)總線一般選擇RS485型號(hào)，然后利用差分接收器和平衡驅(qū)動(dòng)器聯(lián)合的方式實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸處理，這種方式的應(yīng)用能夠提高系統(tǒng)抗共模干擾的能力，使系統(tǒng)具有很好的抗噪聲和抗干擾性，提高系統(tǒng)性能。而信號(hào)采集裝置一般采用的是RS485總線，利用這個(gè)總線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和通信信號(hào)的完成，這個(gè)過程信號(hào)命令的接受一般是通過通訊接口實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作，然后再次利用通信接口完成數(shù)據(jù)采集傳輸功能，以便能夠順利的實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或者是其他設(shè)備上。

3.4 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)分析

此系統(tǒng)的信號(hào)采集裝置一般采用的是可充電的鋰電池形式，在這個(gè)電源系統(tǒng)中給裝置內(nèi)各個(gè)模塊的元件器提供工作電壓，而信號(hào)采集裝置一般采用的是低工作電壓形式完成工作電壓的測(cè)量，整個(gè)裝置需要的電壓值為+5 V、+3.3 V，這個(gè)電壓的裝置的采用能夠很好的降低信號(hào)采集裝置的功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，降低外界對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾。

3.5 溫度傳感器

系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中可能對(duì)溫度飄移實(shí)施補(bǔ)償處理，在處理過程中可以測(cè)量傳感器所在環(huán)境的值，并在此基礎(chǔ)上將這個(gè)測(cè)量值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，上位機(jī)完成校準(zhǔn)后測(cè)量系統(tǒng)問題，以便能夠利用這種東東修正傳感器壓力輸出值。一般情況下，系統(tǒng)運(yùn)行中溫度測(cè)量采用集成數(shù)字溫度傳感器的方法實(shí)現(xiàn)。

3.6 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

利用SL公司生產(chǎn)的集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行分析，同時(shí)利用圖形化配置軟件對(duì)各個(gè)系統(tǒng)模塊進(jìn)行配置分析。程序配置一般包括數(shù)據(jù)采集處理、串口中斷分析、數(shù)據(jù)處理和主程序處理等等，程序流程圖見圖2。在程序分析匯總首先對(duì)串口中斷中接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，在有效操作命令下將位置標(biāo)志傳遞到主程序中，以便能夠在主程序中完成相應(yīng)的操作命令，完成以后將標(biāo)識(shí)位清除干凈。下位機(jī)的有效命令為校準(zhǔn)命令，其中校準(zhǔn)命令又可以分為溫度采集、壓力采集以及修正分析，利用這些程序完整個(gè)下位機(jī)的分析和壓力值的讀取。

圖2 下位機(jī)程序流程圖

3.7 上位機(jī)分析

基于LabVIEW的函數(shù)庫中提供了串口通訊函數(shù)，這種函數(shù)分析能夠很好的升級(jí)下位機(jī)與PC機(jī)的串口通訊。在分析過程中我們使用的通訊協(xié)議一般是：密碼字+地址+數(shù)據(jù)域+結(jié)束字，數(shù)據(jù)位：8，在分析的過程中沒有奇偶校對(duì)分析。上位機(jī)的工作流程：首先是命令的發(fā)送，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)采集命令信息后，上位機(jī)會(huì)從串口讀取信息，并返回主程序繼續(xù)執(zhí)行信息的查詢。串口通信程序一般是規(guī)范化多項(xiàng)擬合分析，在此基礎(chǔ)上完成這個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析。

3.8 信號(hào)電路設(shè)計(jì)

一般情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，各種干擾信息可能會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性的提高，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率比較低，這種采集方式容易減少對(duì)高頻數(shù)據(jù)的分析，所以在數(shù)據(jù)采集的過程中一般需要進(jìn)行低通濾波處理和巴特沃斯處理，這種處理方法頻特性比較好，而且具有很好的幅度特性。同時(shí)我們應(yīng)該注意在采集的過程中處理數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，通常情況下我們?yōu)榱藴p少計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析量，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，然后分析其壓力和位置。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用分析

本次試驗(yàn)應(yīng)用分析我們采用某建筑公司實(shí)施的某型號(hào)壓阻式傳感器零點(diǎn)熱漂移修正為例進(jìn)行分析，首先我們分別測(cè)量傳感器在-5℃～80℃環(huán)境下的輸出電壓，在這種情況下我們能夠得到一個(gè)熱漂移擬合方程：

然后我們能夠根據(jù)此公式得到一個(gè)零點(diǎn)熱漂移擬合曲線，根據(jù)擬合曲線分析列出零點(diǎn)熱漂移修正，然后根據(jù)修正后的傳感器分析標(biāo)準(zhǔn)誤，標(biāo)準(zhǔn)誤的分析要根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由表1可以看出本次試驗(yàn)在0～50℃環(huán)境下，零點(diǎn)熱漂移的修正誤差一般為5%。

表1 試驗(yàn)和誤差分析

5 結(jié) 論

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)基于LabVIEW壓阻式傳感器校準(zhǔn)專職能夠比較準(zhǔn)確的得到傳感器的壓力回歸方程，從而實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的高精度采集，然后我們利用數(shù)字式溫度傳感器測(cè)量其溫度，利用這種電路板輕便、小巧的測(cè)量方式能夠很好的完整整個(gè)電路的設(shè)計(jì)工作，同時(shí)能夠很好的降低數(shù)據(jù)采集成本。經(jīng)過一系列的調(diào)試，其壓力和精度的采集和數(shù)據(jù)傳輸能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而能夠很好的滿足壓力傳感器的設(shè)計(jì)需求，而且這種方法能應(yīng)用于其他傳感器的溫度補(bǔ)償中。所以說利用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠比較方便的完成信息采集和數(shù)據(jù)分析，提高傳感器分析精確度。

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Design and implementation of the calibration system of the building pressure resistance type pressure sensor based on LabVIEW

NIU Ping-ping
（Shaanxi Vocational and Technical College，Xi'an 710100，China）

In the sensor design process the main problems exist piezoresistive pressure sensor temperature drift and nonlinear problems that affect the play sensor performance，it is necessary to implement the compensation performance of the sensor，to compensate measurement errors.In this paper，through the design of a LabVIEW piezoresistive pressure sensor calibration system to improve the sensor calibration function，set using software and hardware design，and by the accuracy and stability of repeated experiments show that the calibration device，in order to design high-performance sensors calibration system.Experimental results show that the system can meet the piezoresistive pressure sensor stability and accuracy，and it improves the stability and accuracy of 72%，76%.

LabVIEW；piezoresistive；pressure sensor；calibration system

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0178-03

2016-02-28稿件編號(hào)：201602177

牛萍萍（1986—），女，安徽六安人，碩士研究生，助教。研究方向：建筑安全。