9A文壓力傳感器的虛擬儀器校準(zhǔn)技術(shù)

1、MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】壓力傳感器的虛擬儀器校準(zhǔn)技術(shù)摘要： 本文概述虛擬儀器所帶來的傳感器觀念新的變革， 同時(shí)介紹用虛擬儀器語言 LabWindows/CVI 研制的 壓力傳感器計(jì)量和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)軟件，用虛擬儀器語言和MATLAB、 ActiveR 技術(shù)連接和密切結(jié)合，為虛擬儀器校準(zhǔn)儀提供了更為廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 ：虛擬儀器； LabWindows/CVI ；MATLAB；ActiveR ；壓力傳感器；實(shí)時(shí)校準(zhǔn)ThispaperdescribesnewrevolutionoftheconceptionsofsensorinducedbRvirtualinstruments.Thevi

2、rtualinstru mentlanguageandLabWindows/CVIareusedtodesignmeasurementandrealtimecalibrationsoftwareforpressuresensors .ConnectionbetweenvirtualinstrumentlanguageandMATLAB,ActiveRtechnical,provideswide-rangeappliedperspect iveforvirtualcalibrationinstrument.KeRwords:virtualinstrument ； LabWindows/CVI ；

3、 MATLAB,ActiveR ； pressuresenso；r realtimecalibraton1現(xiàn)代測(cè)試儀器的革命在過去的 20 年中，電腦設(shè)備的迅速普及促進(jìn)了測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化儀器系統(tǒng)的革新， 其中最顯著的一點(diǎn) 就是虛擬儀器概念的出現(xiàn)與發(fā)展，以及虛擬儀器為工程師和科學(xué)家們提高生產(chǎn)率、測(cè)量精度及系統(tǒng)性能方 面所提供的便利。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)來模擬各種傳統(tǒng)儀器的功能，并將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，測(cè) 控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能技術(shù)結(jié)合起來，從而創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)儀器，測(cè)量更精準(zhǔn)、功能更為強(qiáng)大的儀器儀 表來滿足社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)研究的需要。一套虛擬儀器系統(tǒng)就是一臺(tái)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)或工作站配上功能強(qiáng)大的應(yīng)

4、用軟件、 低成本的硬件 （ 例如插 入式板卡 ） 及驅(qū)動(dòng)軟件， 它們?cè)谝黄鸸餐瓿蓚鹘y(tǒng)儀器的功能。 虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測(cè)量系統(tǒng) 到以軟件為中心的測(cè)量系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。以軟件為主的測(cè)量系統(tǒng)充分利用了常用臺(tái)式計(jì)算機(jī)和工作平臺(tái) 的計(jì)算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等諸多用于提高工作效率的強(qiáng)大功能。 雖然硬件集成電路技術(shù)在過去的 20 年里有顯 著的發(fā)展和提高，但是，軟件才是在功能強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的真正關(guān)鍵所在。以軟件為 中心的虛擬儀器系統(tǒng)為工程師提供了創(chuàng)新技術(shù)并大幅降低了生產(chǎn)成本。有了虛擬儀器，就可以根據(jù)需求組 建測(cè)量系統(tǒng)，而不用再受功能固定 （ 完全由廠家提供 ） 的傳統(tǒng)儀表儀器的限制

5、，簡(jiǎn)化讀取數(shù)據(jù)的工作，把大 量的時(shí)間用于數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和處理的分析工作。隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 壓力傳感器 （壓力變送器 ） 正朝著小型化、集成化、數(shù)字化和智能化方向發(fā) 展。為了保證和提高傳感器及變送器的測(cè)試精度和穩(wěn)定性， 特別是長(zhǎng)期穩(wěn)定性和廣泛適應(yīng)環(huán)境的工作能力， 人們除了開發(fā)新原理、利用新材料研制新型傳感器之外，還必須對(duì)所有傳感器和變送器進(jìn)行計(jì)量和定期校 準(zhǔn)。一種傳感器的虛擬儀器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)或方法可以進(jìn)一步保證傳感器的測(cè)試精確度，具有廣泛的應(yīng)用價(jià) 值。2壓力精確數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集壓力是氣動(dòng)和流體測(cè)量的重要參數(shù)，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和流體測(cè)量中大量使用壓力傳感器或壓力變送器。 因 此如何采用最新虛擬儀器技

6、術(shù)來校準(zhǔn)和計(jì)量傳感器，保證和改進(jìn)測(cè)量精準(zhǔn)度已成為必不可少的一項(xiàng)重要工 作。壓力測(cè)試或計(jì)量的重要環(huán)節(jié)是壓力數(shù)據(jù)的精確采集。 在壓力計(jì)量中，規(guī)范了傳感器的靜態(tài)特性測(cè)試條 件，如環(huán)境溫度，壓力基準(zhǔn)，供電電源等。其中檢測(cè)儀器的基本誤差 應(yīng)小于傳感器基本誤差的 1/51/10 ， 因此 當(dāng)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集時(shí)，應(yīng)注意配置高抗干擾能力的性能優(yōu)良的模數(shù)變換 器，例如 16 位精度的 A/D 變換器，或者能與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的多位精密數(shù)字電壓表， 其基本結(jié)構(gòu)如 圖1 所示。圖1 壓力傳感器的虛擬儀器校準(zhǔn)系統(tǒng)MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】對(duì)于多個(gè)壓力

7、傳感器的校準(zhǔn)，為提高工作效率，也可以采用多路 A/D 卡或者配置帶多路程控開關(guān)的數(shù) 字電壓表進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)試和紀(jì)錄， 例如美國(guó) KeithelR 公司提供的 2700 型 6位半(1/2) 高性能數(shù)字電壓表 /數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)插入開關(guān)模塊時(shí)，可達(dá)到2040路直至高達(dá) 80 通道的傳感器測(cè)試和精密度 0.002%的電壓測(cè)量。儀器配置的 RS232 串行通信或 IEEE488(GPIB) 并行通信接口，增強(qiáng)了數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)功能，在虛 擬儀器軟件支持下，如利用數(shù)字濾波，信號(hào)處理與分析技術(shù)，會(huì)更精密地獲取數(shù)據(jù)。3傳感器靜態(tài)性能測(cè)試壓力傳感器的靜態(tài)工作特性 必須遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的檢定過程進(jìn)行。傳感器的工作特

8、性也常用直線方程表 示。即式中 a 為截矩； b 為斜率； V 為對(duì)應(yīng)于壓力 p 的傳感器輸出。 遵照檢定規(guī)程要求，對(duì)于傳感器在順序重復(fù)多次循環(huán)加減載后，用計(jì)算機(jī)獲取的數(shù)據(jù)可用端點(diǎn)平移法 或最小二乘法求取直線的特性參數(shù)，并計(jì)算出被檢測(cè)傳感器的性能參數(shù)，如量程、重復(fù)性誤差、遲滯、線 性誤差和包含有隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差在內(nèi)的傳感器基本誤差(不確定度 ) 。已經(jīng)研制和編制成功的傳感器靜態(tài)特性測(cè)試界面如圖2 所示。圖 2 傳感器靜態(tài)特性界面采用基于 C 語言的虛擬儀器開發(fā)語言 LabWindows/CVI 并通過人機(jī)交互式編程方法， 迅速簡(jiǎn)易地建立漢 字圖形化界面，實(shí)現(xiàn)直接測(cè)試或文件方式讀入數(shù)據(jù)后進(jìn)行處

9、理。 這種方式增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。虛擬儀器 編程語言 LabWindows/CVI 是美國(guó) NI(NationalInstruments) 公司開發(fā)的 32 位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的軟件 開發(fā)平臺(tái)，可以在多種操作系統(tǒng) (Windows98/NT/20RR ，MacOS和 UNIR)下運(yùn)行。它以 ANSIC為核心，將功能 強(qiáng)大、使用靈活的 C 語言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。4傳感器的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】傳感器采用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，即在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)所用的傳感器進(jìn)行即時(shí)標(biāo)定和校準(zhǔn)，因此可以消 除傳感器的溫度和靈敏度

10、偏移所產(chǎn)生的誤差，進(jìn)一步提高傳感器測(cè)試精度。要實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的實(shí)時(shí)校準(zhǔn) 必須提供一個(gè)精密度更高的程控基準(zhǔn)源，例如美國(guó)780B電子掃描系統(tǒng)或 8400 系統(tǒng)，采用 0.02 精度的壓力基準(zhǔn)，可程控給出不同的基準(zhǔn)氣壓，此時(shí)傳感器的靜態(tài)特性用非線性方程表示，即：輸入壓力 P與傳感器輸出電壓 V 的靜態(tài)函數(shù)關(guān)系，可用方程式描述為稱為壓力傳感器靜態(tài)方程。其中為截矩， b1， bn為系數(shù)。目前大多數(shù)壓力傳感器的靜態(tài)特性用線性方程模擬，但完全呈現(xiàn)線性關(guān)系的壓力傳感器很難尋求，因 此壓力傳感器可用非線性靜態(tài)特征表示為分別稱為三點(diǎn)方程、四點(diǎn)方程和五點(diǎn)方程。式中， C0為零點(diǎn)系數(shù)； C1為靈敏度系數(shù)； C2， C

11、3，C4為非線性系數(shù)； VR為對(duì)應(yīng)于輸入壓力 PR的電壓值。 在校準(zhǔn)時(shí)，可根據(jù)精度要求分別給出不同的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，從而建立三點(diǎn)、四點(diǎn)、五點(diǎn)線性方程，獲得矩陣，例如五點(diǎn)校準(zhǔn)后給出：求解系數(shù)矩陣的一種簡(jiǎn)易方法是在 LabWindows/CVI 環(huán)境中調(diào)用流行的 MATLAB功能函數(shù)來實(shí)現(xiàn) LabWindows/CVI 與 MATLAB二者的結(jié)合，是虛擬儀器在提高其技術(shù)水平上起到推波助瀾的作用。通過這種 連接，可以方便地通過逆矩陣的函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系數(shù)矩陣的求解。已經(jīng)研制和編制成功的利用 MATLAB連接應(yīng)用界面如圖 3 所示。 MATLAB窗口被隱藏。圖 3 傳感器 MATLAB與 LabWindows/CV

12、I 連接計(jì)算界面?zhèn)鞲衅鞯木_度可用符合正態(tài)分布的高斯曲線表示 ，誤差帶 R可由下列公式得到：式中 i 為第 i 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際值與測(cè)量值的偏差； n 為校準(zhǔn)點(diǎn)的總數(shù)； FS是滿量程。MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】對(duì)于溫度變化比較靈敏的傳感器，例如固態(tài)壓力傳感器，當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感器的零點(diǎn)和靈敏度系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)傳感器的特性應(yīng)增加溫度的影響，即式中，Ct 為溫度修正系數(shù)。已經(jīng)研制和編制成功的傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)測(cè)試界面如圖4 所示。對(duì)一只傳感器用同一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在線性與非線性特征方程中比較后， 得出在使用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)后改善了計(jì)算結(jié)果的精確度， 使得壓力傳感器精度更高

13、圖 4 傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)測(cè)試界面MicrosoftERcel 是常用的數(shù)據(jù)電子圖表軟件，使用它能夠清晰表示出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并可以執(zhí)行數(shù)據(jù)基 本操作如加、減、乘、除、開方等運(yùn)算，為了完成 LabWindows/CVI 和 MicrosoftERcel 的連接，使其可以 組裝成為一個(gè)簡(jiǎn)易的應(yīng)用程序， 通過采用 DDE動(dòng)態(tài)連接技術(shù)或者 ActiveR 自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)程序 ( 后者是一種 基于 COM和 OLE(ObjectLinkandEmbedded) 對(duì)象連接與嵌入技術(shù) ) ，形成兼有圖形、表格、漢字和數(shù)據(jù)的校 準(zhǔn)測(cè)試報(bào)告，如圖 5 表示的。圖 5 生成 ERcel 校準(zhǔn)檢定報(bào)表界面6 結(jié)束語 用虛擬儀器和 LabWindows/CVI 語言開發(fā)的壓力傳感器校準(zhǔn)儀器及其數(shù)據(jù)處理方法， 綜合目前規(guī)范的壓 力校準(zhǔn)和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，溫度修正技術(shù)，提供了靈活方便的漢字圖表功能，它簡(jiǎn)化了傳感器的校準(zhǔn)工作，給流 體壓力測(cè)量和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化以及提高傳感器校準(zhǔn)精度提供了方便的實(shí)現(xiàn)手段。虛擬儀器語言與 MATLAB和 ActiveR 技術(shù)密切結(jié)合，增強(qiáng)了靈活性和系統(tǒng)功能，具備廣泛的通用性。MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】5 曲線與圖表參考文獻(xiàn)：1國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局 .壓力傳感器 （靜態(tài)） 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 .1994 年