基于LabVIEW的湿度校准平台

苗凤娟，张冬梅，陶佰睿，顾　丁，刘文慧，孙振龙

(1．齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔　161006；2．齐齐哈尔大学招生办公室，黑龙江齐齐哈尔　161006)

0　引言

在社会生活和产品生产过程中，所有测量仪器的工作状态都必须定期校验，以确保仪器的性能和准确度[1]。湿度传感器在工作中常与空气中的灰尘或化学物质接触，受工作时间以及环境温度变化和机械振动等因素影响，会导致湿度传感器产生测量误差。但是传统湿度传感器校准仪器设备非常昂贵，操作过程繁琐，使用极为不便。根据存在的这些局限性，可以利用虚拟仪器[2]代替真实的仪器设备，用软件代替硬件，设计具有高性价比的检测系统。文中以实验室的湿度源为检测对象，设计一种以虚拟仪器为核心的湿度校准平台系统。

1　系统的组成及原理

系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件是基础，软件是核心。系统硬件主要由湿度传感器、数据采集卡、计算机等各部分构成。系统校准原理框图如图1所示。

图1　系统校准原理框图

该实验系统硬件采集的信号由干湿球温度计提供，利用干湿球测量法对湿度源进行信号采集，采集到的信号由NI M 系列数据采集卡PCI-6221传至主机并通过LabVIEW平台对信号进行处理和显示。同以往的校准系统相比，无需测试转换仪器和设备，系统得到简化，应用较灵活。

2　构建标准湿度环境

2．1校准系统结构

湿度传感器校准实验平台包括平台结构部分和电气部分，其中平台结构部分主要是校准腔的结构。腔内设计采用绝缘板和泡沫隔热板。校准腔内分别安装有调速风扇、半导体制冷装置、PTC加热器；另外，在腔内摆放饱和盐溶液、干湿球[3]湿度计和待校准的湿度传感器。湿度传感器校准平台结构图如图2所示。

图2　湿度校准平台结构图

实验通过7种金属盐的饱和溶液来实现不同等级的湿度环境。不同饱和盐溶液的标准湿度如表1所示[4-6]。在25℃、1个标准大气压条件下，采集干湿球湿度响应，看测得结果与饱和盐溶液标准湿度值的误差；经多次测量后，若相对湿度误差不超过±3%RH，表明金属饱和盐溶液构建的不同等级标准湿度环境是切实可行的。

表1　金属盐饱和溶液标准湿度环境

2．2校准系统工作原理

利用LabVIEW和数据采集卡控制风扇速度恒为2.5 m/s，此时让继电器控制加热器开始工作。当温度达到20℃时，提高继电器的工作频率；当温度达到24℃时，加热器停止加热；当温度超过25℃时，制冷器开始工作；在此过程中干球温度计一直对密闭腔内的温度进行实时采集，并将结果通过LabVIEW进行显示。重复操作此过程，直到密闭腔内的温度稳定在25℃时，保持此时的工作状态，开始进行实验。

根据GB 6999-86(中华人民共和国环境试验用相对湿度差算表)，在LabVIEW中置入数据库，如图3所示，预先录入干球温度、湿球温度，对应的相对湿度值，以Excel表格形式进行存储和调用。然后将湿度传感器校准平台环境温度控制在25℃，1标准大气压，风速2.5 m/s，LabVIEW平台将实时采集干、湿球温度并计算其差值，取最大温差后计算其对应的相对湿度并显示。

图3　启动Excel的程序框图

文中是以电容型湿度传感器为例进行校准设计的。针对其他类型湿度传感器，可以设计外接调理电路模块，来实现功能拓展[7]。

3　校准实验箱LabVIEW平台设计

虚拟仪器前面板作为人机的交换界面，无论从可操作性还是外观美化都有很高的要求，而且在此基础上也可以帮助我们更好地进行程序设计，从而完成整个软件部分的设计。

3．1平台主菜单设计

在平台主菜单的设计过程中，为了方便软件控制系统的各个子VI间的切换，设计了平台主菜单。该菜单采用数组函数调用子VI的方法来实现框图程序。3个功能模块子VI．vi函数及Index Array．vi函数之间的相互连接如图4所示。调用各个模块VI的控制前面板如图5所示。

图4　采用数组函数调用子VI方法对应的框图程序

图5　测试系统主菜单

3．2干湿球采集界面

设计利用LabVIEW中的DAQ assistant数据采集助手来实现仿真物理量的实时测量。用Express．vi 显示该平台名称、当前采集时间；由DAQ采集数据，采集到的数据经过Filter．vi进行滤波，并输出滤波后的信号；同时采集干湿球数据；将两个滤波动态数据分离，分离后提取信号特征量；动态数据用Email with Date．vi进行存储[8-9]。干湿球前面板的运行过程如图6和图7所示，采集与存储状态后面板如图8所示。

图6　采集过程部分图

图7　干湿球采集前面板

3．3调理电路

文中需要校准的湿度传感器是将非电量的环境湿度值转换成电量的电容值，实现非电量向电量的转换。待校准的湿度传感器输出的电容特征量不便于记录与分析，因此需要将电容特征量转变为便于计算机直接进行处理与存储的信号—频率信号。电容频率转换电路如图9所示。

当环境湿度变化时，待测湿度传感器等效电容CH发生改变，从而多谐振荡器输出的振荡频率[10]发生相应的变化，根据振荡电路工作原理可知，该输出频率与湿度传感器的等效电容值将形成一一对应的关系。因此，可以通过振荡电路输出频率大小来表示环境相对湿度值的大小。

图8　采集与存储状态后面板

图9　电容频率转换电路

振荡周期主要由两部分组成，其值分别为电容CH的充电时间T1和放电时间T2，即

T1=R1CHln2

(1)

T2=R2CHln2

(2)

振荡周期为

T=(R1+R2)CHln2

(3)

振荡频率为

f0=1/T=1/[(R1+R2)CHln2]

(4)

通过式(1)和式(2)可知，可以调节R1和R2的值改变输出振荡周期和频率，校准过程中可以通过调节RP来获得一个较理想的频率输出范围，以便后续数据采集卡工作点正常。

此外从式(4)中知道当R1和R2固定不变时，电容CH与输出频率fo形成一对应函数关系，这一关系定义为湿度传感器电容一频率输出函数，即当环境湿度变化引起湿度传感器等效电容CH改变时，表现为多谐振荡器的输出振荡频率发生相应的变化。因此，通过这一转换电路，得到了频率输出信号。

3．4频率采集界面

频率采集中，用DAQmx Create Virtual Channel．vi设置采集通道、采集时间等量；DAQmx Start Task．vi开始采集数据[11]；DAQmx Read．vi对数据进行读取；采集到的数据通过数组至电子表格转换函数，转换成表格后用Write characters to file．vi进行存储[12]。频率采集前面板如图10所示。

图10　频率采集前面板

3．5数据存储

干湿球采集模块与频率采集模块运行中存储的数据如表2所示。

表2　湿度传感器校准

4　结束语

文中研究的是湿度传感器校准平台，实现湿度校准范围11.3%RH～97.6%RH内的校准，实现了对电容式湿度传感器校准平台的设计。该设计的研究成果及设计理念做到了理论联系实际，具有较强的现实使用价值。因此基于以上情况，湿度传感器的校准装置对实际生活及工业需要有重要的意义。

参考文献：

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[6]曹亚光，周建华．基于PCI-6221和LabVIEW的材料试验机力值测控系统硬件设计．现代制造技术与装备，2009(6)：12．

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[12]Hui-Bin Zhao，Jian-Xun Jin，Pu-Chun Jiang et al．LabVIEW and PCI DAQ Card Based HTS Test and Control Platforms．Journal of Electronic Science and Technology of China，2008，6(2)：2-3．