基于虛擬儀器的多通道濕敏電容自動測試系統(tǒng)設計

陳關君

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

濕敏電容器是一種很重要的傳感器件[1]，已經(jīng)廣泛應用于氣象、農(nóng)林、化纖、紡織、食品、家用電器等很多領域[2,3]，由于具有測濕范圍寬、響應速度快、溫漂小、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點，在國內(nèi)外被大量研究。但目前產(chǎn)品的性能及可靠性的測試方法及手段存在檢測裝置精確度不高、人工測量、一次只能檢測一只、測試數(shù)量有限且測試結(jié)果因人而異等問題。因此，對濕敏電容器進行快速準確檢測是目前亟需解決的問題。

采用常規(guī)檢測儀器不能獲得有效性能參數(shù)和可靠性指標，并且缺乏對多次檢測的結(jié)果進行綜合分析的功能[4～6]，因此，需改進現(xiàn)有的測試方法。虛擬儀器的出現(xiàn)是測量儀器領域的一個突破，徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀。虛擬儀器基于計算機的軟件儀器，充分發(fā)揮了計算機的作用，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、一機多用、測量精度高、用戶可自行開發(fā)軟件等特點。利用虛擬儀器建立的測控系統(tǒng)提高了測量精度和測量速度，易于擴充和修改，成為現(xiàn)代測控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

本文利用最新的計算機技術、總線技術、軟件技術，研制適合濕敏電容器批量生產(chǎn)、測試裝置，對于提高濕敏電容器的產(chǎn)量、控制傳感器產(chǎn)品的質(zhì)量、提高產(chǎn)品的可靠性均具有十分重要的意義。同時對濕敏電容器的進一步研制與開發(fā)也提供了方便的分析工具。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由電感電容電阻(inductance,capacitance,resis-tance,LCR)測量儀、多通道開關、測試夾具、上位機軟件以及計算機等部分組成。如圖1所示。

圖1 測試系結(jié)構(gòu)

LCR測量儀、多通道開關和計算機之間均配有通用接口總線(general-purpose interface bus,GPIB)，通過GPIB相連。LCR測量儀采用安捷倫公司的E4980A系列產(chǎn)品，該測量儀在20Hz～2MHz范圍內(nèi)對高低阻抗的高精度重復性測量基本精度為0.05%，其內(nèi)置40V直流偏置，可進行高速測量。通過GPIB與計算機連通性能夠提高設計和測試的生產(chǎn)率，是元件和材料的常規(guī)研發(fā)測試及制造過程測試的理想工具。

多通道開關采用安捷倫公司的E5250A開關主機，系統(tǒng)配合2塊E5255A多路復用卡，采用四線制測量電容值的方式，可將系統(tǒng)配置成8通道多路開關，可以支持長期的多地點可靠性測試。E5250A低漏電流開關主機可以將單一測量擴展為一個自動化測量系統(tǒng)，既節(jié)省成本和時間，又能獲得精確、一致的結(jié)果。

測試夾具連接多通道開關與測試電容器，由于測試夾具需與被測電容器一起放入濕度發(fā)生器內(nèi)進行測量，因此，設計時還要考慮耐濕等問題。本文測試夾具采用對稱式設計，各被測電容器觸點與多通道開關的距離保持一致，并且采用四線制的方式，最大限度地減少了引線對測量帶來的影響。

2 系統(tǒng)測量原理及方法

2.1 測量原理

濕敏電容器是由高分子材料作為基底，在其上下表面蒸鍍薄層微孔電極，構(gòu)成平行板電容器；當氣體的相對濕度發(fā)生變化時，高分子材料的介電常數(shù)ε隨之改變，導致濕敏電容器的容量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)相對濕度的測量[7]。

濕敏電容容值的測量采用帶掃描接口的精密LCR測量儀，利用阻抗測量原理。一般的測量需要對電容器兩極施加一個激勵源，然后將電容值的變化轉(zhuǎn)化為對電壓、電流、頻率或脈沖寬度的變化?！爸苯印睖y量方法需要小電流、高精密電流和高輸入阻抗才能測量出電壓；RC振蕩器的方法實現(xiàn)簡單，但通常不能達到高精度。因此，本文通過測量待測電容器的交流阻抗來實現(xiàn)電容值的測量，其基本原理是用一個正弦波信號源激勵電容器，然后測量電容器的電流和電壓。使用四線制方法連接到該電容器，使用比例測量方法，用一個同步解調(diào)器提供最精確的結(jié)果。電容值與阻抗值的關系如圖2所示。

圖2 電容值與阻抗值的關系

2.2 四線制測量方法

由于濕敏電容器屬于阻抗性器件，因此，采用四線制測量方法可以有效消除引線中的誤差對器件測量值的影響。四線制測量原理如圖3所示。

圖3 四線制測量原理

四線制測量原理是一種電阻抗測量技術，使用單獨的對載電流和電壓檢測電極，相比傳統(tǒng)的兩個終端傳感能夠進行更精確的測量。通常情況下，導線的電阻值是非常小的，但如果連接線很長，引入線電阻值測量誤差將是巨大的。因此，采用四線制方式，其中兩根引線為被測元件提供恒定電路，另兩根引線測量被測元件兩端的電流，可完全消除引線電阻值對測量的影響。

2.3 誤差消除

由于電容測試系統(tǒng)使用了測試夾具，因此夾具上殘留的阻抗會引起一定的誤差，必須采用補償方法才能得到精確的測試結(jié)果。本文采用開路、短路以及負載補償方法，適用于復雜的測試系統(tǒng),但在進行負載補償時需要一個已知標準值的被測元件來獲得補償數(shù)據(jù)。本文以47pF的電容器為例進行了測試，以確認開路、短路、負載補償?shù)挠行?結(jié)果如圖4所示。

圖4 補償結(jié)果

結(jié)果表明：對于復雜的殘差掃描系統(tǒng)，開路、短路、負載補償可以有效降低系統(tǒng)額外誤差。

3 上位機軟件功能設計

上位機軟件功能包括對儀器的控制，對測試數(shù)據(jù)的采集以及對數(shù)據(jù)進行分析存儲。上位機軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過上位機軟件對LCR測試儀器及多通道開關進行控制，可選擇多路同時測試或進行單獨通道對被測電容器進行測試。上位機軟件將測試的數(shù)據(jù)采集到計算機內(nèi)，并對數(shù)據(jù)進行分析、計算處理，存入指定文件中。需要時，可將文件中的數(shù)據(jù)回放。

圖5 上位機軟件結(jié)構(gòu)

4 實驗結(jié)果與分析

選取了3種不同容值的濕敏電容器在100 kHz的頻率下進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，3種的濕敏電容器在指定頻率點下均可達到很高的測試精度。

表1 測試結(jié)果 pF

5 結(jié) 論

針對目前濕敏電容器生產(chǎn)過程中批量檢測存在的問題，設計了多通道濕敏電容器自動測試系統(tǒng)。采用LCR測試儀配合多通道開關，通過基于虛擬儀器的上位機軟件可進行8通道的濕敏電容器同時測試或單通道測試，經(jīng)過實驗驗證，整個系統(tǒng)的測試精度在一定的頻率范圍內(nèi)可達到0.8 %,完全滿足生產(chǎn)測試的需求，為濕敏電容器的批量生產(chǎn)和高效檢測提供了很好的解決方案。

[1] 葉小嶺,廖俊玲,孫 寧.濕敏電容器的溫度補償方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(6):70-72.

[2] 丁喜波.電容式濕度傳感器測試方法與測試系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2005.

[3] 鄭 麗,金建東,司良有.降低高分子電容式濕敏元件濕滯的實驗研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(6):27-29.

[4] 王亭沂,黃向東.多路RLC自動測試系統(tǒng)研制[J].石油儀器，2006,20(1):21-22.

[5] 張 齊,朱寧西.高分子電容式濕敏元件自動測量電路研究[J].華南理工大學學,1999,27(3):124-127.

[6] 吳振鋒，李向東.電容分選機分選測試工藝改進[J].電子工藝技術,2009,30(2):107-109.

[7] 嚴 斌，黨選舉.高分子濕度傳感器的濕滯建模與智能補償[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(7):43-49.