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壓力傳感器的虛擬儀器校準技術

2009年09月22日 20:59:49人氣：2416來源：佛山市普量電子有限公司

壓力傳感器的虛擬儀器校準技術

摘要：本文概述虛擬儀器所帶來的傳感器觀念新的變革，同時介紹用虛擬儀器語言LabWindows/CVI研制的壓力傳感器計量和實時校準軟件，用虛擬儀器語言和MATLAB、ActiveX技術連接和密切結合，為虛擬儀器校準儀提供了更為廣泛的應用前景。

關鍵詞：虛擬儀器；LabWindows/CVI；MATLAB；ActiveX；壓力傳感器；實時校準

Abstract: This paper describes new revolution of the conceptions of sensor induced by virtual instruments. The virtual instrument language and LabWindows/CVI are used to design measurement and real time calibration software for pressure sensors. Connection between virtual instrument language and MATLAB, ActiveX technical, provides wide-range applied perspective for virtual calibration instrument.

Key words: virtual instrument；LabWindows/CVI；MATLAB, ActiveX； pressure sensor；real time calibraton

1 現代測試儀器的革命

在過去的20年中，電腦設備的迅速普及促進了測試測量和自動化儀器系統的革新，其中zui顯著的一點就是虛擬儀器概念的出現與發展，以及虛擬儀器為工程師和科學家們提高生產率、測量精度及系統性能方面所提供的便利。虛擬儀器的實質就是利用計算機來模擬各種傳統儀器的功能，并將現代計算機技術，測控技術和網絡技術，智能技術結合起來，從而創造出超越傳統儀器，測量更、功能更為*的儀器儀表來滿足社會生產和科學研究的需要。

一套虛擬儀器系統就是一臺工業標準計算機或工作站配上功能*的應用軟件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驅動軟件，它們在一起共同完成傳統儀器的功能。虛擬儀器代表著從傳統硬件為主的測量系統到以軟件為中心的測量系統的根本性轉變。以軟件為主的測量系統充分利用了常用臺式計算機和工作平臺的計算、顯示和互聯網等諸多用于提高工作效率的*功能。雖然硬件集成電路技術在過去的20年里有顯著的發展和提高，但是，軟件才是在功能*的硬件基礎上創建虛擬儀器系統的真正關鍵所在。以軟件為中心的虛擬儀器系統為工程師提供了創新技術并大幅降低了生產成本。有了虛擬儀器，就可以根據需求組建測量系統，而不用再受功能固定（*由廠家提供）的傳統儀表儀器的限制，簡化讀取數據的工作，把大量的時間用于數據采集質量和處理的分析工作。

隨著當今科學技術的發展，壓力傳感器（壓力變送器）正朝著小型化、集成化、數字化和智能化方向發展。為了保證和提高傳感器及變送器的測試精度和穩定性，特別是長期穩定性和廣泛適應環境的工作能力，人們除了開發新原理、利用新材料研制新型傳感器之外，還必須對所有傳感器和變送器進行計量和定期校準。一種傳感器的虛擬儀器實時校準技術或方法可以進一步保證傳感器的測試度，具有廣泛的應用價值。

2 壓力數據的自動采集

壓力是氣動和流體測量的重要參數，在風洞實驗和流體測量中大量使用壓力傳感器或壓力變送器。因此如何采用虛擬儀器技術來校準和計量傳感器，保證和改進測量度已成為*的一項重要工作。

壓力測試或計量的重要環節是壓力數據的采集。在壓力計量中，規范了傳感器的靜態特性測試條件，如環境溫度，壓力基準，供電電源等。其中檢測儀器的基本誤差δ應小于傳感器基本誤差的1/5 ~ 1/10，因此當采用計算機系統實現壓力校準和數據自動采集時，應注意配置高抗*力的性能優良的模數變換器，例如16位精度的A/D變換器，或者能與計算機實現數字通信的多位精密數字電壓表，其基本結構如圖1所示。

圖1 壓力傳感器的虛擬儀器校準系統

對于多個壓力傳感器的校準，為提高工作效率，也可以采用多路A/D卡或者配置帶多路程控開關的數字電壓表進行數據自動測試和紀錄，例如美國Keithely公司提供的2700型6位半（1/2）高性能數字電壓表/數據采集系統，當插入開關模塊時，可達到20~40路直至高達80通道的傳感器測試和精密度0.002%的電壓測量。儀器配置的RS232串行通信或IEEE488（GPIB）并行通信接口，增強了數字通信和網絡功能，在虛擬儀器軟件支持下，如利用數字濾波，信號處理與分析技術，會更精密地獲取數據。

3 傳感器靜態性能測試

壓力傳感器的靜態工作特性必須遵照國家標準的檢定過程進行。傳感器的工作特性也常用直線方程表示。即

式中a為截矩；b為斜率；V為對應于壓力p的傳感器輸出。

遵照檢定規程要求，對于傳感器在順序重復多次循環加減載后，用計算機獲取的數據可用端點平移法或zui小二乘法求取直線的特性參數，b，并計算出被檢測傳感器的性能參數，如量程、重復性誤差、遲滯、線性誤差和包含有隨機誤差與系統誤差在內的傳感器基本誤差（不確定度）。

已經研制和編制成功的傳感器靜態特性測試界面如圖2所示。

圖2 傳感器靜態特性界面

采用基于C語言的虛擬儀器開發語言LabWindows/CVI并通過人機交互式編程方法，迅速簡易地建立漢字圖形化界面，實現直接測試或文件方式讀入數據后進行處理。這種方式增強了系統的靈活性。虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI是美國NI（National Instruments）公司開發的32位面向計算機測控領域的軟件開發平臺，可以在多種操作系統（Windows98/NT/2000，Mac OS和UNIX）下運行。它以ANSI C為核心，將功能*、使用靈活的C語言平臺與數據采集、分析和表達等測控專業工具有機地結合起來。

4 傳感器的實時校準

傳感器采用實時校準方法，即在現場對壓力測量系統所用的傳感器進行即時標定和校準，因此可以消除傳感器的溫度和靈敏度偏移所產生的誤差，進一步提高傳感器測試精度。要實現壓力傳感器的實時校準必須提供一個精密度更高的程控基準源，例如美國780B電子掃描系統或8400系統，采用0.02％精度的壓力基準，可程控給出不同的基準氣壓，此時傳感器的靜態特性用非線性方程表示，即：

輸入壓力P與傳感器輸出電壓V的靜態函數關系，可用方程式描述為

稱為壓力傳感器靜態方程。其中為截矩，b₁，…，b_n為系數。

目前大多數壓力傳感器的靜態特性用線性方程模擬，但*呈現線性關系的壓力傳感器很難尋求，因此壓力傳感器可用非線性靜態特征表示為

分別稱為三點方程、四點方程和五點方程。

式中，C₀為零點系數；C₁為靈敏度系數；C₂，C₃，C₄為非線性系數；V_x為對應于輸入壓力P_x的電壓值。

在校準時，可根據精度要求分別給出不同的標準點，從而建立三點、四點、五點線性方程，獲得矩陣，例如五點校準后給出：=

求解系數矩陣的一種簡易方法是在LabWindows/CVI環境中調用流行的MATLAB功能函數來實現。LabWindows/CVI與MATLAB二者的結合，是虛擬儀器在提高其技術水平上起到推波助瀾的作用。通過這種連接，可以方便地通過逆矩陣的函數實現對系數矩陣的求解。

已經研制和編制成功的利用MATLAB連接應用界面如圖3所示。MATLAB窗口被隱藏。

圖3 傳感器MATLAB與LabWindows/CVI連接計算界面

傳感器的度可用符合正態分布的高斯曲線表示，誤差帶R可由下列公式得到：

式中_i為第i個校準點實際值與測量值的偏差；n為校準點的總數；FS是滿量程。

對于溫度變化比較靈敏的傳感器，例如固態壓力傳感器，當溫度變化時，傳感器的零點和靈敏度系數都會發生變化，此時傳感器的特性應增加溫度的影響，即式中，C_t為溫度修正系數。

已經研制和編制成功的傳感器實時校準測試界面如圖4所示。對一只傳感器用同一組校準數據在線性與非線性特征方程中比較后，得出在使用實時校準后改善了計算結果的度，使得壓力傳感器精度更高。

圖4 傳感器實時校準測試界面

5 曲線與圖表

Microsoft Excel 是常用的數據電子圖表軟件，使用它能夠清晰表示出數據的狀態，并可以執行數據基本操作如加、減、乘、除、開方等運算，為了完成LabWindows/CVI和Microsoft Excel的連接，使其可以組裝成為一個簡易的應用程序，通過采用DDE動態連接技術或者ActiveX自動化技術設計程序（后者是一種基于COM和OLE（Object Link and Embedded）對象連接與嵌入技術），形成兼有圖形、表格、漢字和數據的校準測試報告，如圖5表示的。

圖5 生成Excel校準檢定報表界面

6 結束語

用虛擬儀器和LabWindows/CVI語言開發的壓力傳感器校準儀器及其數據處理方法，綜合目前規范的壓力校準和實時校準，溫度修正技術，提供了靈活方便的漢字圖表功能，它簡化了傳感器的校準工作，給流體壓力測量和風洞實驗自動化以及提高傳感器校準精度提供了方便的實現手段。

虛擬儀器語言與MATLAB和ActiveX技術密切結合，增強了靈活性和系統功能，具備廣泛的通用性。

參考文獻：

[1] 國家技術*.壓力傳感器（靜態）中華人民共和國國家計量檢定規程.1994年6月1日實施。

[2] 張毅剛，喬立巖等.虛擬儀器軟件開發環境LabWindows/CVI6.0編程指南.機械工業出版社，2002年8月。

[3] National Instruments.LabWindows/CVI Standard Libraries Reference Manual.1998年2月.

[4] 張平等.MATLAB基礎與應用簡明教程.北京航空航天大學出版社，2001年1月.

關鍵詞：壓力傳感器虛擬儀器測控技術儀器儀表工作站

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