基于虚拟仪器的多路压力传感器自动检测系统设计

王子

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110036）

引言

近年来，传感器在各个领域广泛应用，而压力传感器是其中应用是最广泛、最为普遍的。目前，压力传感器正向小型化、集成化和智能化方向发展，这也将压力测量技术提高到新的水平。因此对批量生产的压力传感器的检测校准具有十分重要的意义。

最初的批量检测和校准都是通过人工的方法，将一批（成百上千只）压力传感器逐一进行校准，每校准一个需要重新更换测试电缆，并手动记录校准结果。这种人工方法不仅费时又费力，而且一致性不强，容易出错。随着单片机技术的发展，后来批量测试引入了单片机技术，应用单片机技术的测量校准方法在校准速度上得到了很大提高，但这种方法的一个缺点是校准结果不能直观显示，只能通过测试仪上的显示读出当前的测量参数，而且这种方法不太稳定。

虚拟仪器技术的出现弥补了系统显示不直观的不足，通过软件将计算机与仪器硬件有机地融合在一起，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，不仅减少了系统的成本和体积，并通过软件实时显示数据以及分析处理结果，并存储记录。

本文研究的多路压力传感器检测系统就是结合虚拟仪器技术组建的，可实现对压力传感器、压力变送器检定过程全自动精确测量与数据记录，实现多路压力传感器的数据校准等相应性能参数的计算功能，减轻操作人员劳动强度、提高工作效率，满足大批量压力传感器快速测量、检定工作的需要。

1 系统总体设计

系统总体设计如图1所示，其中虚线部分为与系统连接的其他设备。

系统由主机、数据采集器、程控电源、多路控制器和外接装置等五部分组成。

系统主机：采用TCP/IP协议与数据采集器、程控电源、多路控制器和压力测控仪连接，实现控制和测量的功能。通过其上运行的LabVIEW软件进行通道切换，数据采集、记录、运算。

数据采集器：根据测量的要求，进行传感器电压、电阻的测量。

程控电源：为系统提供高精度的电源。

多路控制器：为90路1.5 mA恒流源供电,对多路传感器进行切换测量。

外接装置：包括压力测控仪、气瓶和恒温箱，给系统提供压力和温度配给。

2 系统硬件设计实现

2.1 数据采集器

本系统的数据采集主要通过安捷伦34410数字万用表实现，结合自制的开关选通板与矩阵板实现多路数据的切换采集功能，通过网线与计算机相连实现测量的软件编程控制功能。

安捷伦 34410在本系统中主要用于高精度直流电压和电阻的两线、四线制测量，在满足参数测量的情况下，可达到1 000读数/s的测量速度，所有测量功能均集成于一个紧凑的高性能模块化平台中。软件技术方面，采用LabVIEW软件，利用仪器驱动程序编程实现其硬件的动态访问和控制。

2.2 多路控制器

2.2.1 多通道选通模块

多通道选通模块主要实现被测试传感器的快速切换及恒流源供电控制功能，设计实现90只传感器选1，及450个通道选5的低导通电阻、高速切换功能。图3表示了选通控制模块的切换逻辑，用于选通5根信号线的开关可以选择一个4刀或者2个2刀的继电器实现，供电控制的开关必须使用一个单独的继电器控制。其中，Rx是电流测量的取样电阻。单块通道卡可提供8只传感器，40个通道的测量切换功能，卡与外部连接采用37针的电连接器连接。

图1 系统总体设计图

图2 数据采集器

图3 选通控制模块原理框图

2.2.2 测量控制模块

测量控制卡主要通过FPGA实现上位机通信及逻辑选通控制，并与矩阵开关组合实现测量参数与通道的切换组合控制，使用4*4开关矩阵，可灵活对各节点进行通断控制，实现复杂的逻辑功能，包括测量端切换、电阻短路控制、正反向测量等，其原理框图如图4所示。

2.2.3 恒流源设计

系统需要为被测量传感器提供90路精度为±0.005 mA的恒流源。传感器对恒流源电流精度及稳定性要求较高，恒流源电路设计中选用高精度、低温漂电子器件，确保满足实际使用的需要。

图4 矩阵开关原理框图

图5 恒流源设计原理示意图

恒流源设计采用运算放大器的电流串联负反馈电路形式，这种电路形式的电流调整能力强，电流输出稳定，较适合本系统中使用。恒流源的电路示意图如图5所示。RL表示电流源的负载；Rf构成恒流源的反馈电阻。

为了保证恒流源的精度要求，在电路设计过程中应考虑反馈电阻的初始精度和温度系数对恒流源输出电流在电路特性上的影响；还应考虑运算放大器的输入偏置电压、输入偏置电压温度系数、输入偏置电流对电路特性的影响，而这种影响是在电路特性分析之外的，需要进行额外的计算和试验；还必须要考虑基准电压源的初始精度和温度系数对恒流源的影响。设计选用低温漂、高精度的基准源REF5025和OPA241构成恒流源能够实现技术指标要求，电路中的电阻选择0.1 %精度和25 ppm/℃温度系数的低温漂、高精度电阻。

3 系统软件设计

系统上位机软件采用LabVIEW图形化软件实现。LabVIEW提供了最常用的、也是最完整的图形化开发环境。对于高度自动化的测试系统，测试管理软件提供了一个面向顺序执行、分支/循环、报告生成和数据库集成的框架。图形化的编程方式，直接简便，使得程序更加方便，减少程序的开发时间。

传感器压力自动校准系统软件的基本功能如图6所示。

压力校准软件主要实现90只传感器的压力校准功能，并对采集数据进行存储和计算。程序首先进行采集的初始化设置，包括通讯端口与通信速率选择、采集器测量参数、测量通道、校准点、行程数等参数，根据不同测试需要控制通道的切换，同时控制恒流源供电，并监测传感器的工作电流，根据设置的校准点与行程数进行相应压力信号采集，存储到数据库中，采集完毕后，计算传感器准确度、线性度等参数，并显示结果，同时提供数据打印功能。其前面板如图7所示。

图6 压力校准软件功能框图

图7 压力校准软件界面

4 结论

基于虚拟仪器的多路压力传感器自动校准系统，利用虚拟仪器与计算机技术的结合，通过数据采集器和多路控制器等硬件设备，实现对压力传感器或压力变送器检定过程中的全自动精确测量与数据记录，实现多路压力传感器的自动测量、校准功能。减轻操作人员劳动强度、提高工作效率，满足大批量压力传感器快速测量、检定工作的需要。

本系统的建立使得压力传感器的检测速度得到很大提高，并使其测量校准实现了智能化和自动化，校准精度和一致性也将得到一定的提升。并且由于采用了虚拟仪器技术，在数据处理、人机交换等方面显示出了巨大的优势，为批量生产的压力传感器的测试带来了方便并提供了新的思路，因此将在压力传感器的科研和批量生产测试中得到广泛应用。

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