鉑電阻溫度變送器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)研究與應(yīng)用

彭紅梅 張 惲 鄭淑云 劉 輝

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076，China)

1 引 言

溫度是人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)中經(jīng)常需要測(cè)量的參數(shù)，鉑電阻溫度計(jì)應(yīng)用非常廣泛，其具有生產(chǎn)批量大的特點(diǎn)。

鉑電阻溫度變送器是將鉑電阻產(chǎn)生的微小電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性轉(zhuǎn)換，再經(jīng)噪聲抑制、線性放大，轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)碾娏骰蛘唠妷狠敵觥ｃK電阻溫度變送器具有測(cè)試精度要求高、測(cè)試過(guò)程復(fù)雜的特點(diǎn)。為了評(píng)估鉑電阻溫度變送器的溫度特性、環(huán)境的耐受性，需要進(jìn)行大量的環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試，給測(cè)試人員帶來(lái)極大工作量，同時(shí)拖延了產(chǎn)品交付的進(jìn)度。

此前，產(chǎn)品測(cè)試存在諸多缺點(diǎn)：測(cè)試狀態(tài)主要以手動(dòng)測(cè)試為主。在批量產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中，需要不斷用手動(dòng)完成輸入信號(hào)調(diào)節(jié)和頻繁的產(chǎn)品切換。測(cè)試過(guò)程中很容易耦合干擾、影響產(chǎn)品的測(cè)試精度，也容易損壞測(cè)試儀器與工裝。在測(cè)試過(guò)程還需要記錄大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，而紙制記錄不僅無(wú)法保證數(shù)據(jù)的查閱與復(fù)用，更不便于產(chǎn)品包絡(luò)分析。人工記錄、評(píng)判還存在質(zhì)量隱患。因此，迫切需要用自動(dòng)化、信息化手段替代人工測(cè)試，解決測(cè)試、交付效率低下的問(wèn)題，研制鉑電阻溫度變送器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)具有重要實(shí)際意義。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)鉑電阻溫度變送器測(cè)試需求，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變換器性能自動(dòng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄與精度計(jì)算。

采用一種基于局域網(wǎng)的模塊化測(cè)試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)LXI(LAN extension for instrumentation)總線構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)。LXI是基于網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量總線，解決了測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試設(shè)備之間控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐?wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備的測(cè)試。LXI總線采用流行的Ethernet、PC和PC標(biāo)準(zhǔn)軟件作為控制平臺(tái)，具有成本低、適應(yīng)性好、有高帶寬的LAN接口強(qiáng)大的計(jì)算和管理能力等優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)試系統(tǒng)主要由如下部分組成：Agilent 34980A多路測(cè)量?jī)x器為硬件平臺(tái)，內(nèi)置四塊復(fù)用開(kāi)關(guān)模塊34922A和一塊通用開(kāi)關(guān)模塊34938A，與一臺(tái)溫度/壓力校準(zhǔn)器Fluke 525B、兩臺(tái)線性電源DH1718A-4通過(guò)轉(zhuǎn)接組合配合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和開(kāi)關(guān)控制。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示，以Agilent 34980A為測(cè)試與數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骺啬K。各模塊功能如下：

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成

a)溫度/壓力校準(zhǔn)器Fluke 525B作為變換器輸入信號(hào)源，模擬鉑電阻傳感器的輸出。滿足輸入信號(hào)幅值微小、頻率低的特點(diǎn)，為變送器提供高精度、穩(wěn)定的信號(hào)源。

b)復(fù)用開(kāi)關(guān)模塊34922A以及6位半內(nèi)置萬(wàn)用表結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的切換測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器性能的測(cè)量。

c)通用開(kāi)關(guān)模塊34938A實(shí)現(xiàn)供電控制和阻抗測(cè)試。

d)兩臺(tái)DH1718A-4電源給變換器供電。

e)通過(guò)轉(zhuǎn)接組合及電纜實(shí)現(xiàn)多路變換器與測(cè)試系統(tǒng)的連接。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)性能

a)測(cè)量與控制通道：60路，可擴(kuò)展；

b)能夠控制變送器加電；

c)能夠測(cè)量變送器輸出和交流噪聲；

d)能夠控制525B，提供測(cè)試所需的輸入信號(hào)；

e)能夠控制示波器，獲取波形；

f)監(jiān)測(cè)電源電壓和溫箱溫度；

g)測(cè)量分辨率6位半；

h)直流電壓測(cè)量范圍100mV～100V；

i)交流電壓測(cè)量范圍100mV～100V；

j)測(cè)量范圍可通過(guò)軟件設(shè)置；

k)溫度測(cè)量范圍：-80℃～+100℃；

l)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸出阻抗測(cè)試；

m)自動(dòng)完成變送器的線性特性測(cè)量和頻響測(cè)試；

n)可以完成對(duì)變送器的溫度誤差數(shù)據(jù)處理；

o)試驗(yàn)過(guò)程中具有數(shù)據(jù)報(bào)警功能并能明示故障產(chǎn)品；

p)測(cè)量通道可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行定義；

q)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)具有曲線和表格顯示功能；

r)測(cè)量數(shù)據(jù)以Excel格式保存在指定文件夾或數(shù)據(jù)庫(kù)中；

s)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)生成試驗(yàn)報(bào)表并可打印，報(bào)表信息包含每件試驗(yàn)產(chǎn)品信息、試驗(yàn)信息、人員信息等；

t)具有LAN接口、GPIB接口通訊控制功能和連接功能。

2.3 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目

系統(tǒng)能按配置文件自動(dòng)完成設(shè)定流程測(cè)試，在產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)配置文件，設(shè)置產(chǎn)品加電、斷電流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)測(cè)試。實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)測(cè)試流程有：整機(jī)溫循、整機(jī)老煉、高低溫試驗(yàn)、常態(tài)性能測(cè)試。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 系統(tǒng)主控器34980A功能與控制

計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)LAN(Local Area Network)與34980A實(shí)現(xiàn)測(cè)試變換器的選擇、獲取測(cè)試結(jié)果，并完成電源控制信息傳遞。通過(guò)內(nèi)置總線控制各模塊的工作。

34922A是34980A內(nèi)置的70路復(fù)用開(kāi)關(guān)模塊，在測(cè)試系統(tǒng)中分別用于輸入控制和切換、阻抗測(cè)量切換、輸出測(cè)量切換等。

34938A是34980A內(nèi)置的20路通用開(kāi)關(guān)，在測(cè)試系統(tǒng)中用于電源控制及阻抗測(cè)試負(fù)載電阻加入控制等。

34980A內(nèi)置有一塊6位半的萬(wàn)用表，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流、電阻等參數(shù)的測(cè)量，直接采樣后部的Analog Bus端口測(cè)量外部信號(hào)。

3.2 信號(hào)輸入

溫度/壓力校準(zhǔn)器Fluke 525B用于模擬鉑電阻傳感器的輸出、作為被測(cè)變送器的輸入。上位機(jī)通過(guò)GPIB總線(General-Purpose Interface Bus)控制Fluke 525B。

測(cè)試系統(tǒng)采用 Fluke 525B與34922A結(jié)合，向被測(cè)變送器提供輸入信號(hào),信號(hào)輸入等效電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)輸入等效電路

Fluke 525B模擬鉑電阻傳感器電壓輸出經(jīng)轉(zhuǎn)接組合接至34922A，經(jīng)34922A后再次進(jìn)入轉(zhuǎn)接組合,然后輸出至被測(cè)變送器。使用34922A和34980A內(nèi)置萬(wàn)用表配合，監(jiān)測(cè)鉑電阻溫度變送器的輸入信號(hào)。模擬鉑電阻輸出同時(shí)連接至轉(zhuǎn)接組合前面板的“輸入監(jiān)測(cè)”端子，可外接標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過(guò)多路復(fù)用開(kāi)關(guān)34922A即可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)525B向多路被測(cè)變送器同時(shí)或分別提供輸入信號(hào)的功能。

3.3 輸出電壓測(cè)量

變送器輸出的測(cè)量原理如圖3所示，變送器輸出經(jīng)轉(zhuǎn)接組合連接至34922A的復(fù)用開(kāi)關(guān)，34922A的COM端連接至34980A的內(nèi)置萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。

圖3 輸出電壓測(cè)量

COM端輸出同時(shí)連接至轉(zhuǎn)接組合前面板的監(jiān)測(cè)端子，可外接標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 輸出阻抗測(cè)試

輸出阻抗測(cè)試原理如圖4所示。在測(cè)試信號(hào)轉(zhuǎn)接組合內(nèi)安裝固定負(fù)載RL，用于變換器輸出阻抗測(cè)試。RL連接到34938A，34938A對(duì)應(yīng)通道的另一端進(jìn)入信號(hào)轉(zhuǎn)接組合后連接到變送器兩端。

圖4 阻抗測(cè)試

阻抗測(cè)試時(shí)，首先斷開(kāi)34938A 通道，此時(shí)變送器處于無(wú)負(fù)載狀態(tài)，記錄輸出端的電壓值；然后閉合34938A對(duì)應(yīng)通道，負(fù)載電阻直接加載在變換器的輸出，記錄加載負(fù)載狀態(tài)下輸出端的電壓值。根據(jù)兩次記錄的結(jié)果及負(fù)載電阻值，可以計(jì)算出被測(cè)產(chǎn)品的輸出阻抗值。

在進(jìn)行其它項(xiàng)目測(cè)試時(shí)，34938A對(duì)應(yīng)通道置于斷開(kāi)狀態(tài)。

3.5 加電控制

測(cè)試系統(tǒng)采用兩臺(tái)DH1718A-4電源供電，輸入電源經(jīng)由轉(zhuǎn)接組合接入34938A，采用4路開(kāi)關(guān)通道分別控制電源，每個(gè)通道控制15個(gè)鉑電阻溫度變送器的供電。

3.6 溫度監(jiān)測(cè)

采用一路34922A 通道與34980A的內(nèi)置萬(wàn)用表相結(jié)合，按四線制法測(cè)量溫度傳感器的輸出，監(jiān)控試驗(yàn)環(huán)境溫度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件功能

軟件確保系統(tǒng)按配置的試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試流程對(duì)產(chǎn)品自動(dòng)加電，自動(dòng)完成試驗(yàn)及性能測(cè)試。

流程設(shè)置可以創(chuàng)建新的試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試流程或調(diào)用已有測(cè)試流程。

4.2 軟件界面

軟件界面包括配置界面、測(cè)試界面等。

啟動(dòng)軟件后，進(jìn)入軟件主界面，如圖5所示。主界面頂部為工具欄，包括新建(工程文件)、打開(kāi)(工程文件)、配置、采集測(cè)試、二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換等工具按鈕。

圖5 軟件主界面

左側(cè)窗口欄為“軟件功能”欄，包括儀器列表和試驗(yàn)項(xiàng)目列表，并能標(biāo)示已選中試驗(yàn)項(xiàng)目和已完成試驗(yàn)項(xiàng)目。

4.3 配置界面

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的自動(dòng)測(cè)試。新建工程時(shí)，將彈出配置窗口界面，可分別進(jìn)行工程信息、產(chǎn)品信息、試驗(yàn)項(xiàng)目和產(chǎn)品接線對(duì)應(yīng)關(guān)系的配置。

配置界面可對(duì)產(chǎn)品各種試驗(yàn)項(xiàng)目、性能指標(biāo)測(cè)試輸入?yún)?shù)進(jìn)行配置，包括判據(jù)(即合格標(biāo)準(zhǔn))、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)頻率點(diǎn)等。常態(tài)測(cè)試的軟件配置界面如圖6所示。

圖6 軟件配置界面

4.4 測(cè)試界面

新建工程或調(diào)用已有工程文件后，選擇要做的試驗(yàn)項(xiàng)，即可進(jìn)行采集測(cè)試，測(cè)試界面如圖7所示。

圖7 測(cè)試界面

測(cè)試界面實(shí)時(shí)監(jiān)視測(cè)試過(guò)程環(huán)境溫度，顯示被測(cè)產(chǎn)品編號(hào)，輸入值，輸出值等。信息欄可顯示當(dāng)前試驗(yàn)進(jìn)展情況和出錯(cuò)信息，右側(cè)為電壓監(jiān)測(cè)窗口。不合格產(chǎn)品在對(duì)應(yīng)欄目和信息欄中均有標(biāo)示。

4.5 數(shù)據(jù)處理

在設(shè)備自動(dòng)完成產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)加電與測(cè)試過(guò)程中，測(cè)量原始數(shù)據(jù)將以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)在工程名對(duì)應(yīng)的文件夾中。在每一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束后，軟件自動(dòng)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excel格式，每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一個(gè)excel文件。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后有生成報(bào)表需求的試驗(yàn)項(xiàng)目，將自動(dòng)計(jì)算各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并填寫到報(bào)表的對(duì)應(yīng)項(xiàng)目中。產(chǎn)品技術(shù)性能測(cè)試記錄報(bào)表如表1所示。

表1 產(chǎn)品技術(shù)性能測(cè)試記錄報(bào)表

5 系統(tǒng)測(cè)試效果

鉑電阻溫度變送器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)能夠一次性測(cè)試60臺(tái)鉑電阻溫度變送器。其自動(dòng)生成報(bào)表和自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)品精度功能節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的工作流程和時(shí)間，給產(chǎn)品的測(cè)試工作帶來(lái)了很大便利。

特別是產(chǎn)品在整機(jī)溫循、整機(jī)老煉等環(huán)境試驗(yàn)中無(wú)需手動(dòng)測(cè)試，節(jié)省了等待的時(shí)間。鉑電阻溫度變換器各項(xiàng)性能無(wú)需手動(dòng)計(jì)算即可直接顯示在報(bào)表中。當(dāng)指標(biāo)超差時(shí)，產(chǎn)品不合格性能能夠及時(shí)暴露出來(lái)，使問(wèn)題能夠獲得快速有效的處理，大大縮短了產(chǎn)品交付周期。以往采用手動(dòng)測(cè)試時(shí)，一個(gè)工作日8小時(shí)能完成205臺(tái)產(chǎn)品的測(cè)試，采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)可完成680臺(tái)產(chǎn)品的測(cè)試，測(cè)試效率提高了近4倍，報(bào)表處理時(shí)間節(jié)省了7個(gè)工作日，提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。特別是在完成流程配置后，整個(gè)項(xiàng)目測(cè)試過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，較大減輕了測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6 結(jié)束語(yǔ)

鉑電阻溫度變送器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鉑電阻溫度變送器自動(dòng)測(cè)試。該方式替代了傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試，縮短了產(chǎn)品在測(cè)試環(huán)節(jié)上的時(shí)間。在提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的同時(shí)，避免了人為錯(cuò)誤引起的粗大誤差，提升了產(chǎn)品性能測(cè)試的準(zhǔn)確性。

該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的研制成功不僅解決了鉑電阻溫度變送器批量測(cè)試難題，提高了測(cè)試效率，同時(shí)便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理。該系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)也為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了良好的平臺(tái)?；贚XI總線的測(cè)量系統(tǒng)可應(yīng)用于范圍更大的分布式遠(yuǎn)程測(cè)量與監(jiān)控，具有廣泛的應(yīng)用前景。