9A文壓力傳感器的虛擬儀器校準技術

1、MeiWei 81 重點借鑒文檔】壓力傳感器的虛擬儀器校準技術摘要： 本文概述虛擬儀器所帶來的傳感器觀念新的變革， 同時介紹用虛擬儀器語言 LabWindows/CVI 研制的 壓力傳感器計量和實時校準軟件，用虛擬儀器語言和MATLAB、 ActiveR 技術連接和密切結合，為虛擬儀器校準儀提供了更為廣泛的應用前景。關鍵詞 ：虛擬儀器； LabWindows/CVI ；MATLAB；ActiveR ；壓力傳感器；實時校準ThispaperdescribesnewrevolutionoftheconceptionsofsensorinducedbRvirtualinstruments.Thevi

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

3、 MATLAB,ActiveR ； pressuresenso；r realtimecalibraton1現(xiàn)代測試儀器的革命在過去的 20 年中，電腦設備的迅速普及促進了測試測量和自動化儀器系統(tǒng)的革新， 其中最顯著的一點 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家們提高生產(chǎn)率、測量精度及系統(tǒng)性能方 面所提供的便利。虛擬儀器的實質就是利用計算機來模擬各種傳統(tǒng)儀器的功能，并將現(xiàn)代計算機技術，測 控技術和網(wǎng)絡技術，智能技術結合起來，從而創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)儀器，測量更精準、功能更為強大的儀器儀 表來滿足社會生產(chǎn)和科學研究的需要。一套虛擬儀器系統(tǒng)就是一臺工業(yè)標準計算機或工作站配上功能強大的應

4、用軟件、 低成本的硬件 （ 例如插 入式板卡 ） 及驅動軟件， 它們在一起共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。 虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測量系統(tǒng) 到以軟件為中心的測量系統(tǒng)的根本性轉變。以軟件為主的測量系統(tǒng)充分利用了常用臺式計算機和工作平臺 的計算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等諸多用于提高工作效率的強大功能。 雖然硬件集成電路技術在過去的 20 年里有顯 著的發(fā)展和提高，但是，軟件才是在功能強大的硬件基礎上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的真正關鍵所在。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、，簡化讀取數(shù)據(jù)的工作，把大 量的時間用于數(shù)據(jù)采集質量和處理的分析工作。隨著當今科學技術的發(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試精度和穩(wěn)定性， 特別是長期穩(wěn)定性和廣泛適應環(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，還必須對所有傳感器和變送器進行計量和定期校 準。一種傳感器的虛擬儀器實時校準技術或方法可以進一步保證傳感器的測試精確度，具有廣泛的應用價 值。2壓力精確數(shù)據(jù)的自動采集壓力是氣動和流體測量的重要參數(shù)，在風洞實驗和流體測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、術來校準和計量傳感器，保證和改進測量精準度已成為必不可少的一項重要工 作。壓力測試或計量的重要環(huán)節(jié)是壓力數(shù)據(jù)的精確采集。 在壓力計量中，規(guī)范了傳感器的靜態(tài)特性測試條 件，如環(huán)境溫度，壓力基準，供電電源等。其中檢測儀器的基本誤差 應小于傳感器基本誤差的 1/51/10 ， 因此 當采用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)壓力校準和數(shù)據(jù)自動采集時，應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，或者能與計算機實現(xiàn)數(shù)字通信的多位精密數(shù)字電壓表， 其基本結構如 圖1 所示。圖1 壓力傳感器的虛擬儀器校準系統(tǒng)MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】對于多個壓力

7、傳感器的校準，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的數(shù) 字電壓表進行數(shù)據(jù)自動測試和紀錄， 例如美國 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)，當插入開關模塊時，可達到2040路直至高達 80 通道的傳感器測試和精密度 0.002%的電壓測量。儀器配置的 RS232 串行通信或 IEEE488(GPIB) 并行通信接口，增強了數(shù)字通信和網(wǎng)絡功能，在虛 擬儀器軟件支持下，如利用數(shù)字濾波，信號處理與分析技術，會更精密地獲取數(shù)據(jù)。3傳感器靜態(tài)性能測試壓力傳感器的靜態(tài)工作特性 必須遵照國家標準的檢定過程進行。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 為對應于壓力 p 的傳感器輸出。 遵照檢定規(guī)程要求，對于傳感器在順序重復多次循環(huán)加減載后，用計算機獲取的數(shù)據(jù)可用端點平移法 或最小二乘法求取直線的特性參數(shù)，并計算出被檢測傳感器的性能參數(shù)，如量程、重復性誤差、遲滯、線 性誤差和包含有隨機誤差與系統(tǒng)誤差在內的傳感器基本誤差(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 并通過人機交互式編程方法， 迅速簡易地建立漢 字圖形化界面，實現(xiàn)直接測試或文件方式讀入數(shù)據(jù)后進行處

9、理。 這種方式增強了系統(tǒng)的靈活性。虛擬儀器 編程語言 LabWindows/CVI 是美國 NI(NationalInstruments) 公司開發(fā)的 32 位面向計算機測控領域的軟件 開發(fā)平臺，可以在多種操作系統(tǒng) (Windows98/NT/20RR ，MacOS和 UNIR)下運行。它以 ANSIC為核心，將功能 強大、使用靈活的 C 語言平臺與數(shù)據(jù)采集、分析和表達等測控專業(yè)工具有機地結合起來。4傳感器的實時校準MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】傳感器采用實時校準方法，即在現(xiàn)場對壓力測量系統(tǒng)所用的傳感器進行即時標定和校準，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，進一步提高傳感器測試精度。要實現(xiàn)壓力傳感器的實時校準 必須提供一個精密度更高的程控基準源，例如美國780B電子掃描系統(tǒng)或 8400 系統(tǒng)，采用 0.02 精度的壓力基準，可程控給出不同的基準氣壓，此時傳感器的靜態(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方程、四點方程和五點方程。式中， C0為零點系數(shù)； C1為靈敏度系數(shù)； C2， C

11、3，C4為非線性系數(shù)； VR為對應于輸入壓力 PR的電壓值。 在校準時，可根據(jù)精度要求分別給出不同的標準點，從而建立三點、四點、五點線性方程，獲得矩陣，例如五點校準后給出：求解系數(shù)矩陣的一種簡易方法是在 LabWindows/CVI 環(huán)境中調用流行的 MATLAB功能函數(shù)來實現(xiàn) LabWindows/CVI 與 MATLAB二者的結合，是虛擬儀器在提高其技術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)實現(xiàn)對系數(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 個校準點實際值與測量值的偏差； n 為校準點的總數(shù)； FS是滿量程。MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】對于溫度變化比較靈敏的傳感器，例如固態(tài)壓力傳感器，當溫度變化時，傳感器的零點和靈敏度系數(shù)都會發(fā)生變化，此時傳感器的特性應增加溫度的影響，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時校準測試界面如圖4 所示。對一只傳感器用同一組校準數(shù)據(jù)在線性與非線性特征方程中比較后， 得出在使用實時校準后改善了計算結果的精確度， 使得壓力傳感器精度更高

13、圖 4 傳感器實時校準測試界面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、開方等運算，為了完成 LabWindows/CVI 和 MicrosoftERcel 的連接，使其可以 組裝成為一個簡易的應用程序， 通過采用 DDE動態(tài)連接技術或者 ActiveR 自動化技術設計程序 ( 后者是一種 基于 COM和 OLE(ObjectLinkandEmbedded) 對象連接與嵌入技術 ) ，形成兼有圖形、表格、漢字和數(shù)據(jù)的校 準測試報告，如圖 5 表示的。圖 5 生成 ERcel 校準檢定報表界面6 結束語 用虛擬儀器和 LabWindows/CVI 語言開發(fā)的壓力傳感器校準儀器及其數(shù)據(jù)處理方法， 綜合目前規(guī)范的壓 力校準和實時校準，溫度修正技術，提供了靈活方便的漢字圖表功能，它簡化了傳感器的校準工作，給流 體壓力測量和風洞實驗自動化以及提高傳感器校準精度提供了方便的實現(xiàn)手段。虛擬儀器語言與 MATLAB和 ActiveR 技術密切結合，增強了靈活性和系統(tǒng)功能，具備廣泛的通用性。MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】5 曲線與圖表參考文獻：1國家技術監(jiān)督局 .壓力傳感器 （靜態(tài)） 中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程 .1994 年