多通道压力传感器多参数自动测试系统设计

唐胜武， 李冰冰， 王 旭

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

多通道压力传感器多参数自动测试系统设计

唐胜武， 李冰冰， 王 旭

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

设计了一种压力传感器自动测试系统，可实现对多路传感器和多个参数的自动切换测量。通过设计的多功能矩阵开关电路配合一台高精度数据采集器，实现选通切换与测量；采用LabVIEW设计上位机软件，实现标定数据、温度补偿数据、时漂数据显示以及计算、报表功能。实验证明：该系统可同时进行90只压力传感器的桥路电压、电阻、电流等参数测量，满足精度为1 %～0.1 %压力传感器批量产品检测与检定的多种测试需要。

多通道； 多参数； 压力传感器； 矩阵开关； 自动测试系统

0 引 言

近年来，为解决压力传感器生产与检定过程中人工操作强度大、工作效率低等问题，一些企业、科研院所相继开展了传感器自动测试系统研制。文献[1，2]设计了一种压力传感器自动测试系统，将计算机与仪器连接，实现了单只压力传感器的自动测试与数据处理；文献[3,4]分别设计了多通道压力传感器自动校准与检测系统。但目前这些测试系统仅是对传感器输出电压进行切换测量，不能满足压力传感器生产过程中不同工序的多参数测量要求。

本文设计一种压力传感器自动测试系统，该系统通过总线将多路选通电路与矩阵开关电路进行级联设计，实现组合逻辑切换控制，配合一台高精度数据采集器并结合采用LabVIEW软件编写的上位机程序，实现了对90只传感器的工作电流、桥路电压、输出信号、桥路电阻等多个参数的测量和通道切换、供电、接点选择等控制功能，满足精度为1 %～0.1 %压力传感器批量生产产品检验与标定的需要。

1 系统结构设计

测试系体总体结构如图1，主要由主机、数据采集器、采集控制器、程控电源、多串口卡组成。系统外部配置压力测控仪和恒温箱，为传感器提供标准压力和温度环境；采集控制器是系统的执行核心，通过其中的测量控制电路控制传感器通道选择与开关矩阵的逻辑切换，实现传感器桥路各待测电压、电阻、电流点的交叉组合输出，并提供多路稳定恒流源供电；数据采集器完成输入信号测量功能；系统主机通过以太网口和扩展的串口对其他设备进行控制和数据交换[5,6],实现计算、存储与报表打印功能。

图1 测试系统总体结构Fig 1 Overall structure of test system

2 系统硬件设计

根据压力传感器标定[7]、温度补偿数据采集等测试要求，系统需分别完成90路传感器的工作电流I、桥压VB、输出信号VO、零点及满量程输出信号VFS、桥臂电阻(R1,R2,R3,R4)等参数测量。电阻测量时，需控制切断传感器供电。传感器各参数测量的采样位置如图2所示,虚线部分为传感器内部电桥结构，Ri为电流测量取样电阻。

图2 压力传感器数据采集示意图Fig 2 Diagram of pressure sensor data acquisition

系统要实现以上参数测量与控制功能，必须合理设计开关切换逻辑才能有效降低系统复杂程度，提高运行效率。

图3给出了数据采集控制系统的示意图，90只传感器按照引脚标号接到系统对应的连接器(J1,J2,…，J90)上，通过开关(K1,K2,…，K90)选通一组待测传感器，将其4根引线接入到4×4开关矩阵上，通过矩阵各交叉点开关的组合切换，将待测引脚与数据采集器的4个测量端口连接，实现任意两点或四点的测量端接入、正反向测量等功能。

采集控制器采用模块化设计[8]，由12块8通道的选通控制卡构成的阵列模块与1块测量控制卡通过背板上的模拟信号总线进行连接，通过一套基于数字通信协议的背板控制总线进行管理。每块卡均具有通信与控制功能，测量控制卡与系统主机交互，实现模块与系统的双向通信。系统在触发闭合扫描列表中下一个测量功能后产生一个数字脉冲，在每个扫描列表连接完毕后，模块发送脉冲，触发下一个测量开始，整个测量顺序得到了有效管理，确保实现最优吞吐量[9]。

图3 数据采集系统示意图Fig 3 Diagram of data acquisition system

数据采集器采用Agilent 34410型数字万用表,通过网口与计算机相连，实现测量及其软件编程控制功能。所有测量功能均集成于一个紧凑的高性能模块化平台中，具有标准的仪器驱动程序，能容易地集成至自动测试或数据采集应用。

3 系统软件设计

系统软件主要实现硬件系统配置、测试过程控制、测试数据处理与报表生成。数据采集软件设计采用LabVIEW软件的CLF技术[10]，利用采集器仪器驱动程序编程实现其硬件的动态访问和控制；通过TCP/IP与串行通信接口进行设备控制操作与数据交互[11]；采用ACCESS数据库实现采集数据管理。

系统软件程序架构如图4所示。软件程序运行开始选择测试功能，按测试要求配置压力测控仪、数据采集器、采集控制器等设备初始参数。测试开始后，软件根据设置的行程数、标定点、量程、温度点、室温、测量时间、测量间隔、控制误差等参数，完成自动化标定数据、温补数据、时漂数据采集，存储后进行计算与数据处理，实现图形显示、报表生成、文件存储功能。

图4 软件程序架构Fig 4 Architecture diagram of software program

4 实验结果

系统分别进行了压力传感器标定、时漂、温度补偿数据采集测试[12,13]。被测传感器量程为0～1 MPa，供电电流1.5 mA，通过串口与MENSOR600压力测控仪通信实现压力控制，批次测量数量90只，以下数据为其中1只传感器的测试数据报表。

压力传感器标定数据采集设置6个压力标定点，3个行程，量程上限1 MPa，量程下限0 MPa，实际供电电流为1.501 mA，标定数据与计算结果如表1和表2所示。

压力传感器时漂数据采集设置试验时间为24 h，时间间隔为6 h，压力值为0.1 MPa，满量程为5.003 33 V，实验结果如表3所示。

压力传感器温度补偿数据采集设置低温点工作温度为-40 ℃，高温为125 ℃，室温为25 ℃，量程为0～1 MPa，测试数据如表4所示。

表1 压力传感器标定数据Tab 1 Calibration datas of pressure sensor

表2 检测结果数据Tab 2 Datas of test result

表3 时漂数据Tab 3 Datas of time drift

表4 温度补偿数据Tab 4 Datas of temperature compensation

实验实现了90只压力传感器不同测试点的电压、电阻、工作电流测试，整个过程无需人工干预，可自动完成传感器通道切换、多参数测量、计算和报表生成的全部过程。实验结果表明：本系统能够满足精度为1 %～0.1 %的压力传感器自动批量生产测试与标定需要。

5 结 论

本文设计的系统实现了压力传感器批量、多参数自动测量，可同时进行90只传感器的检测与标定数据、时漂数据、温补数据采集，每只传感器的测量点与被测参数可独立切换控制，能够满足精度为1 %～0.1 %的压力传感器批量生产过程中的全部测试需要。该系统自动化程度高、控制灵活、扩展能力强，可通过级联开关控制模块，增加传感器测试数量，提高检测与标定效率。

[1] 付永杰,白 旭.压力传感器自动检定系统设计[J].舰船电子工程,2008(12):127-130.

[2] 徐晓艳.基于Lab Windows/CVI下的压力传感器的自动测试系统[J].计量技术,2007(4):57-58.

[3] 杨洪胜,姚 进,杨振华.多通道压力传感器自动校准系统研制[J].中国科技信息,2010(4):130-133.

[4] 薛战军,卞学红,杜玲玲,等.多通道压力传感器综合测试系统设计[J].计测技术,2013,33(6):40-43.

[5] 张 丹,赵 军,陈学峰.压力传感器自动综合测试系统控制方法研究[J].计算机测量与控制,2007,15(3):369-371.

[6] 何 帆.多路压力传感器自动校准系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2011.

[7] Yameogo P,Heiba U,Al Bahri,et al.Self calibrating pressure sensor for biomedical applications[C]∥Proceedings of IEEE Sensors,IEEE 2009,Christchurch,New Zealand,2009:691-694.

[8] Yang Wenrong,Wang Fei,Liu Jianfei, et al.Study on the calibration signal generator for differential pressure sensor [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2011(4):14.

[9] 王 冰,唐胜武,刘 慧.基于LabVIEW的铂电阻器自动测试系统[J].传感器与微系统,2012,31(12):124-125.

[10] Johnson G W,Jennings R.LabVIEW graphical programming[M].[S.1.]:McGraw-Hill Companies,2011.

[11] Wang Zhongyuan,Shang Yongheng,Liu Jiarui, et al.A LabVIEW-based automatic test system for sieving chips[J].Mea-surement,2013,46:402-410.

[12] Q/UN G04 05—1994,压力传感器静态精度计算方法[S].

[13] GJB 4409—2002,压阻式压力传感器通用规范[S].

Design of multiple parameters automatic test system for multi-channel pressure sensor

TANG Sheng-wu， LI Bing-bing， WANG Xu

(49th Research Institute，China Electronic Technology Group Corporation,Harbin 150001，China)

A pressure sensor automatic test system is designed for measurement of multi-channel sensors and multiple parameters.A multi-function matrix switch circuit is designed with a high-precision data collector to achieve function of switch and measurement;using LabVIEW design upper computer software to achieve function of display and calculation and report of calibration data,temperature compensation data,time drift data.Experiment shows that the system can measure parameters such as bridge voltage,resistance and current of 90 pressure sensors, and meet detection and verification needs for mass production of pressure sensor with precision of 1 %～0.1 % and verification process.

multi-channel; multiple parameters; pressure sensor; matrix switch; automatic test system(ATS)

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0064—03

2014—09—12

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0064—03

唐胜武(1979-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，主要研究方向为智能传感器及其测试技术。