基于虛擬儀器的傳感器靜態(tài)特性分析

　　引 言

    傳感器的工作特性通過(guò)其靜、動(dòng)態(tài)特性直接反映出來(lái)，靜態(tài)特性是表示傳感器在被測(cè)輸入量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入—輸出關(guān)系，更能突出反映傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)，傳感器靜態(tài)特性主要指線性度、遲后性、重復(fù)性和靜態(tài)誤差。以往對(duì)傳感器靜態(tài)特性的測(cè)試、分析需要多種儀器來(lái)共同完成，且輸入、輸出信號(hào)的測(cè)量、記錄、特性指標(biāo)的計(jì)算都需人工完成，工作量大、效率低、可靠性差?；谔摂M儀器的傳感器特性分析數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，效率高，靈活性及一致性好，顯示內(nèi)容豐富，打印輸出方便，具有極高性價(jià)比，已被廣泛地應(yīng)用。 

　　傳感器靜態(tài)特性的測(cè)量及計(jì)算

    由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成虛擬測(cè)試儀器，完成對(duì)傳感器靜態(tài)特性的分析，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、靈活、可靠的目的

    對(duì)于一個(gè)傳感器特性循環(huán)試驗(yàn)，在取5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的分布見(jiàn)表1。

    在實(shí)際測(cè)試中為保證測(cè)量可靠性，至少應(yīng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)3個(gè)循環(huán)，取5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，共25個(gè)測(cè)量值。一般采用重復(fù)實(shí)驗(yàn)5個(gè)循環(huán)，取7個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，則共有61個(gè)測(cè)量值。由這些測(cè)量值來(lái)計(jì)算傳感器線性度、遲滯性、重復(fù)性和靜態(tài)誤差。 

　　基于PC的虛擬儀器  

　　虛擬儀器的硬件

表1　測(cè)量點(diǎn)分布表

　　由分析可知，若想測(cè)量傳感器的特性指標(biāo)，則必需在各校準(zhǔn)點(diǎn)給傳感器輸入校準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)測(cè)量傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)值，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)一般為4～20mA 或1～5V，而電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是用萬(wàn)用表測(cè)量并記錄每次傳感器的輸出信號(hào)值，如今采用PC機(jī)加A/D擴(kuò)展板卡來(lái)測(cè)量和記錄傳感器的輸出信號(hào)，則可大大提高測(cè)量精度和測(cè)量速度，而且PC機(jī)具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力，可方便、靈活地計(jì)算和分析傳感器的各項(xiàng)特性指標(biāo)，具有極高的性價(jià)比。

    目前，PC機(jī)都具有3個(gè)以上PCI擴(kuò)展插槽，而且基于PCI總線的工業(yè)級(jí)模擬信號(hào)采集板卡種類繁多，大多可采集-10～+10V 范圍內(nèi)信號(hào)，而且采樣精度從12位到16位、采樣速度從每秒幾萬(wàn)次到上百萬(wàn)次不等，作為工業(yè)產(chǎn)品其工作的穩(wěn)定性和可靠性已得到共識(shí)，現(xiàn)已在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

    針對(duì)傳感器測(cè)試精度高的特點(diǎn)，一般要求測(cè)試儀器精度應(yīng)達(dá)到5×10-4。虛擬儀器采用普通PC計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展了臺(tái)灣研華基于PCI總線的PCI-816模擬量采集板卡，板卡主要功能有：16路模擬信號(hào)差分輸入、分辨率為16位、最大采樣速度為100kHz/s、信號(hào)采樣范圍寬且可軟件編程設(shè)定、支持軟硬件觸發(fā)、可編程選擇中斷等級(jí)和DMA 傳送通道，另外，還具有16路數(shù)字量輸入、輸出。

    虛擬儀器的軟件 

    虛擬儀器的硬件相對(duì)軟件較簡(jiǎn)單，而儀器的操作方便與否、功能是否齊全、顯示畫(huà)面是否豐富、是否可打印輸出各種分析報(bào)表等，則完全由軟件設(shè)計(jì)水平來(lái)決定。軟件采用VC++6.0在Windows環(huán)境下編制，程序功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，可在WindowsNT/98/2000/XP 操作系統(tǒng)下運(yùn)行，具有畫(huà)面顯示直觀，操作方便、靈活等特點(diǎn)。

圖1程序功能結(jié)構(gòu)圖

　　虛擬儀器軟件運(yùn)行后，可通過(guò)下拉式菜單或工具欄按鈕來(lái)完成數(shù)據(jù)采集或輸入、修改、計(jì)算、顯示畫(huà)面切換和結(jié)果打印輸出等操作。為方便輸入、修改各種數(shù)據(jù)，采用如圖2所示的集成度較高的數(shù)據(jù)輸入、修改對(duì)話窗口，其中傳感器名稱、型號(hào)和循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)可直接輸入，而傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定值和試驗(yàn)中所測(cè)量數(shù)值則可按設(shè)定在新增和修改間變換輸入。

　　例如需連續(xù)輸入各校準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定值，則可通過(guò)在操作方法組框中選中[校準(zhǔn)輸入或測(cè)試數(shù)據(jù)]復(fù)選框(對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的操作則取消選中)，同時(shí)選中[連續(xù)操作]復(fù)選框，如圖2中所示，即可連續(xù)輸入。另外可通過(guò)選中4個(gè)單選銨鈕[設(shè)置] 、[插入]、[追加]和[刪除]中的不同銨鈕來(lái)設(shè)定對(duì)當(dāng)前下標(biāo)(行程編號(hào)) 數(shù)據(jù)的不同操作。這樣可在一個(gè)對(duì)話窗口內(nèi)完成整個(gè)數(shù)據(jù)的采集、修改，大大提高了對(duì)數(shù)據(jù)的操作效率。每步操作的同時(shí)，在程序窗口可顯示所有參數(shù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)。

圖2　數(shù)據(jù)輸入、修改對(duì)話窗口

　　校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和所需測(cè)量值數(shù)量由程序按輸入校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)和循環(huán)次數(shù)自動(dòng)計(jì)算。程序自動(dòng)檢驗(yàn)輸入校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量(M)與測(cè)量值數(shù)量(N)是否滿足式(1)，如不滿足則計(jì)算菜單項(xiàng)和工具欄中計(jì)算按鈕無(wú)效，直至兩者滿足式(1)關(guān)系。在檢查確認(rèn)數(shù)據(jù)正確性后即可計(jì)算傳感器各項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)。 

　　測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示和打印 

    對(duì)于輸入或測(cè)量的數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果，程序可在不同的彈出窗口內(nèi)以表格、曲線、直方圖等多種形式顯示出來(lái)，提供了以獨(dú)立文件和分類數(shù)據(jù)庫(kù)形式存儲(chǔ)，預(yù)存了不同打印輸出報(bào)表格式?？赏ㄟ^(guò)選取不同的菜單項(xiàng)或按鈕來(lái)選擇不同顯示和打印輸出方式。 

　　打印輸出報(bào)表提供了二次設(shè)計(jì)功能，即可通過(guò)軟件中的繪圖和字符串編輯功能，自行設(shè)計(jì)打印輸出報(bào)表格式。 

　　應(yīng)用實(shí)例 

　　虛擬儀器已在實(shí)際傳感器測(cè)試中應(yīng)用。表2是對(duì)1個(gè)壓力傳感器(量程：1MPa)，采用5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)循環(huán)試驗(yàn)3次所測(cè)量計(jì)算的部分?jǐn)?shù)據(jù)(置信系數(shù)α=3) 。

表2　壓力傳感器測(cè)量計(jì)算的部分?jǐn)?shù)據(jù) 

　　結(jié)束語(yǔ)

    文中雖然未對(duì)用此虛擬儀器來(lái)測(cè)量、分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性作介紹，但可參照對(duì)靜態(tài)特性的分析方法來(lái)分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性，利用虛擬儀器具有快速A/D轉(zhuǎn)換的功能，在傳感器輸入量發(fā)生階躍或連續(xù)變化的同時(shí)，對(duì)輸出量作連續(xù)的A/D 采樣，通過(guò)對(duì)采樣結(jié)果的分析，即可得出傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。