多通道压力传感器自动校准系统研制

杨洪胜 姚进 杨振华

1.四川大学制造科学与工程学院 610065

2.中国空气动力研究与发展中心高速所 62100

多通道压力传感器自动校准系统研制

杨洪胜1姚进1杨振华2

1.四川大学制造科学与工程学院 610065

2.中国空气动力研究与发展中心高速所 62100

基于计算机终端技术，研制了一种多通道压力传感器自动校准系统，系统可实现对多个传感器同时进行自动校准。同时，对系统的工作原理，构成和自动校准软件设计方法进行了详细介绍。在实际应用中，系统具有很好的稳定性和准确性，校准结果满足国标要求。

多通道；压力传感器；校准

multi-channel; pressure sensor; calibration

1、引言

压力传感器广泛应用工业制造、自动化控制、航空航天、实验测试、军事等领域。为了保证压力传感器能准确反应检测对象的真实状况，对传感器进行定期校准和抽样检验具有重要意义。

压力传感器的检定是一个比较复杂的过程。压力传感器的传统校准方式是通过手动完成，工作效率低，而且由于校准过程操作环节多而繁琐，容易引入人为误差，对压力传感器性能参数确定带来较多的不确定性。建立一套多通道压力传感器自动校准系统，能高质量、快速完成多个压力传感器的校准，还可避免传统校准方存在的人为失误带来的弊端，对提高工作效率，减轻劳动强度和提高校准精度有重要意义。我们采用计算机终端通讯技术成功研制出了一种多通道的压力传感器自动校准系统。

2、系统结构

多通道压力传感器自动校准系统的主要工作原理流程是通过终端通讯连接技术，采用计算机给高精度压力控制器、多通道数据采集器发布控制指令，使压力传感器获得由高精度压力控制器产生的标准压力并输出相应信号，由数据采集器采集传感器输出信号并返回计算机完成数据分析处理的循环过程，最后自动生成传感器校准证书、文档的校准系统，系统结构主要包括硬件系统和软件系统两部分。硬件部分是在RUSKA7215i的基础上通过相应的扩展，构建了基于网络终端通讯技术的硬件平台，软件系统利用微软公司的开发软件visual studio 6.0开发了设备控制和数据处理软件。

2.1 硬件结构

根据现有的实验室校准测试条件和实际检测设备，多通道压力传感器自动校准系统的硬件结构主要包括电子计算机、高精度压力控制器、数据采集系统、打印机、真空泵、高压氮气源等硬件设备组件，通过计算机的RS232接口组网连接。压力传感器自动校准的基本硬件系统拓扑结构图如图1所示。

2.2 软件系统

多路压力传感器自动校准系统的软件系统是对硬件系统各组件的有效整合，是整个系统稳定、有效工作的核心组成部分之一，是各部件控制和数据通讯的逻辑纽带。软件系统将高精度压力控制器、数据采集系统、打印机有机地结合在一起，实现循环加载、自动判稳、数据采集等一系列自动化过程，同时还设计了压力传感器校准数据库管理功能，可以对传感器信息、校准证书、校准数据等资料进行更有效的管理和检索。系统软件包括传感器校准、数据计算处理、数据库管理和系统维护四大核心模块，结构如图2所示。

3、关键技术

图1 硬件结构

压力传感器校准模块是多通道压力传感器校准系统的最基本模块，其实现自动加载校准功能是系统最根本的功能，自动校准程序流程如图3。系统可根据需要对压力传感器的校准环境、校准参数、工作载荷、预警提示等进行设置。系统管理控制由软件系统协调，主要包括登录管理模块，校准参数设置模块，环境参数设置模块，数据采集分析模块，曲线显示模块，报警提示模块和证书生成模块等部分。模块之间除必要的输入输出接口用于模块之间的通讯外，进行封装，保证各模块相对独立性，这能有效确保系统的稳定性、良好的维护性和移植性。为了实现传感器多通道自动校准系统的各个功能模块功能，系统采用了以下关键技术。

3.1 系统防锁死释放功能

在自动校准过程中，为避免程序在校准时长时间没有响应，或在压力稳定等待时间超过设置时间限和其他异常情况下，通过设置系统控制权限等级，采用DoEvents语句来释放系统控制权， 确保自动校准过程中系统流畅运行和计算机系统的稳定。同时，系统采用自动/手动两种校准模式，保证在自动校准失效情况下可采用手动方式进行，确保校准工作的连续性。

3.2 施加载荷自判稳功能

作为自动校准系统，必须具有对所加载荷进行自判稳识别功能。对传感器施加的标准压力后，读取高精度压力控制器的状态寄存器，并辅以一定的延时，循环判稳3次以上，比较状态寄存器数值差值是否小于设定判稳标准，从而确保自动校准过程中采集到的是处于稳定状态的标准压力。

3.3 数据判稳功能

在自动校准过程中，为了获得有效、稳定的测试数据，除对传感器承载载荷进行判定外，对传感器相应输出信号的判读具有重要意义，通常采用软件延时处理。为了更好确保数据有效、稳定性，在系统研制过程，系统既采用了相应的软件延时技术，同时对数据采集器触发进行硬件设置，提升稳定延时时间，使每个触发信号周期能连续采样10以上有效数据，还进一步提高了信号采样速度。这可以保证在一个有效采样周期内取得更多的数据进行对比，提高了数据判稳的可操控性。

3.4 传感器标定结果数据规范化

在软件系统中，建立统一校准证书、校准数据的模板文档，对传感器规范化管理意义重大。为此，在软件系统研制过程中使用OLE嵌入技术，采用统一格式的证书模板。在压力传感器校准初期，设置好相应参数，在校准完毕后即可生成完备的压力传感器证书。同时，为有效保存每只传感器校准流程的数据，减少了人为因素带来的失误，加入了数据库管理系统，可方便实现对传感器数据的有效溯源和必要时的对比检索。

3.5 传感器输出波动有效控制

理论上讲，在经过上述关键技术处理后，压力传感器自动校准系统可以投入实际运行，但是在系统整体调试阶段发现在加载压力稳定时，传感器输出信号经常会出现的微小波动，这种输出波动特性呈现一定规律性，且在模拟输出的压力传感器上尤为明显。经过反复比较分析发现，主要原因是压力传感器的压力输入存在一定的波动，波动源主要是由高精度压力控制器RUSKA7215i内部压力输出阀门的频繁切换所致。对RUSKA压力输出阀门的响应特性进行研究发现，输出阀相应是在其固有的频率作微小的波动，在对压力传感器的输出进行软件滤波处理，消除标定系统硬件带来的波动误差。

4、压力传感器数据及误差处理

多通道压力传感器系统使用的数据分析和误差处理方法严格遵循压力传感器性能测试国标标准GB/T15478-1995压力传感器性能试验方法、中国计量科学院1994制定的压力传感器静态校准规程（JJG860-94）相关规定进行。

4.1 数据处理

线性传感器工作特性方程一般形式为Y＝a＋bX，数据拟合方程有端基直线法，零基直线法，平移端基直线法和采用最小二乘直线法等数据拟合方法。多通道压力传感器自动校准系统数据处理采用最小二乘直线拟合法，对传感器的整个测量范围内，设置m个校准点进行n次循环压力校准试验，在每一个校准几点上分别有n个正行程校准数据和n个反行程校准数据，具体公式如下。

YUij——正行程第i次校准点第j次的示值。（i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n）

YDij——反行程第i个校准点第j次的示值。

图2 软件结构

图3 自动校准程序流程

最小二乘法拟合直线系数：

Xi第i个标定点的压力值（i=1,2,3,…, m）,Yi第i个标定点的正反行程的总平均值, m为校准设置点数。

4.2 误差处理

压力传感器误差处理涉及重复性分析和精确度计算。

4.2.1 重复性

采用贝塞尔公式分别计算每个校验点上正反行程的子样标准偏差：

n ——重复次数；m——校准点个数；λ——包含因子，按t分布，取置信概率等于95%；YF.S为压力传感器满量程输出值。

4.2.2 精确度

压力传感器的精确度是系统误差与随机误差的综合反映，取决于系统误差带U1与随机误差带U2的大小。

线性传感器的系统误差带U1，采用最小二乘直线法。

正行程的系统误差为：

5、应用情况

多通道压力传感器自动校准系统研制完成后，采用多种压力传感器进行了校准测试，结果表明多通道压力传感器自动校准系统实现和达到了下列功能和指标（如表1），系统运行截面如图4。

表1 压力传感器自动校准系统功能指标

下面是对昆山双桥传感器有限公司生产的PDCR系列某绝压传感器在多通道压力传感器自动校准系统上进行的校核对比分析结果。表2是系统判稳后进行的9次采集数据，从数据结果可以看出自动判稳压力后的数据波动值在系统误差的许可范围内，说明自动校准系统的判稳是可靠的。

由于压力传感器本身系数的年飘移量相对较大和测试环境差异影响，对不同期的压力传感器校准后的性能对比性分析意义不大，但通过对同期传感器多次校准结果进行对比分析对校准系统性能评价具有重要参照意义。表3是自动校准系统对该压力传感器进行同期多次校准后的系数对比情况，数据结果表明同期传感器校准的系数误差在0.03%以内，校准系数的差值引起的压力计算误差在10Pa以内，压力传感器系数的校准精度十分理想。图5为同时进行5只传感器校准的界面图。

表2 数据判稳比较

图4 多通道压力传感器自动校准系统程序运行界面

表3 系数对比

图5 多只传感器同时校准结果界面

6、结论

多通道压力传感器自动校准系统以计算机为核心控制单元，利用计算机终端通讯技术，将高精度压力控制器、数据采集系统、压力传感器有机整合，完成压力传感器的循环加载、传感器数据采集、静态校准数据计算、误差分析、自动生成证书文件和校准数据溯源文档库等功能，校准过程实现了全自动化。系统研制成功以来，已对百台压力传感器的完成校准工作，并成功应用到多种领域，取得了良好的效益。

相对传统的单步手动校准方式，多路压力传感器自动校准系统有效提高了校准效率和质量，最大限度减少人为因素造成的失误，提升了压力传感器的整体校准和检定能力，实际应用表明系统完全能满足多种压力传感器校准的需要。同时，该系统具有良好的可拓展性，通过必要的硬件扩展和软件二次开发，可对压力实现传感器的动态测试和远程控制。

[1]GB/T15478-1995, 中国国家标准,压力传感器性能试验方法[S],1995

[2]JJG860-94, 中国计量科学院,压力传感器静态校准规程[S],1994

[3]Q/GSS 312-2005, 中国空气动力研究与发展中心高速所,风洞压力传感器静态校准规范[S],2004

[4]RUAKA7215i用户手册

[5]FLUCK34401A 用户手册

Based on computer terminal technology, a kind of multi-channel pressure sensor auto-calibration system has been developed，system can automatically process multiple sensors calibration at the same time。And the system working principle, composition and the design method of automatic calibration software has been introduced. In practical applications, system has perfect stability and accuracy, calibrated results meet the nation standard。

杨洪胜（1975.8～），男，四川大学研究生，工程师，主要从事CAD/CAE、机械制造和自动控制研究；

姚进（1977.4～），男，教授，四川大学博士生导师，主要从事CAD/CAE/CAM及机械制造研究；

杨振华（1982.8～），男，工程师，中国空气动力研究与发展中心高速所，主要从事自动控制研究。