摘 要:介紹了描述傳感器靜態(tài)特性的線性度、重復性、遲滯性和靜態(tài)誤差的定義及計算方法,給出采用計算機加數(shù)據(jù)采集板卡在Windows系統(tǒng)環(huán)境下用VC++編程構成虛擬儀器,實現(xiàn)了對傳感器靜態(tài)特性的自動測試、計算、顯示、記錄及打印輸出。最后,介紹了對傳感器動態(tài)特性進行分析的方法。
關鍵詞:傳感器;靜態(tài)特性;線性度;遲滯性;重復性;虛擬儀器;靜態(tài)誤差
引 言
傳感器的工作特性通過其靜、動態(tài)特性直接反映出來,靜態(tài)特性是表示傳感器在被測輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入—輸出關系,更能突出反映傳感器的各項指標,傳感器靜態(tài)特性主要指線性度、遲后性、重復性和靜態(tài)誤差。以往對傳感器靜態(tài)特性的測試、分析需要多種儀器來共同完成,且輸入、輸出信號的測量、記錄、特性指標的計算都需人工完成,工作量大、效率低、可靠性差?;谔摂M儀器的傳感器特性分析數(shù)據(jù)處理能力強,效率高,靈活性及一致性好,顯示內(nèi)容豐富,打印輸出方便,具有極高性價比,已被廣泛地應用。
傳感器靜態(tài)特性的測量及計算
由計算機系統(tǒng)構成虛擬測試儀器,完成對傳感器靜態(tài)特性的分析,實現(xiàn)了快速、準確、靈活、可靠的目的。
對于一個傳感器特性循環(huán)試驗,在取5個校準點時,測量點的分布見表1。
表1 測量點分布表

測量值個數(shù)N與循環(huán)次數(shù)S和校準點數(shù)量M之間的關系為

在實際測試中為保證測量可靠性,至少應重復實驗3個循環(huán),取5個校準點,共25個測量值。一般采用重復實驗5個循環(huán),取7個校準點,則共有61個測量值。由這些測量值來計算傳感器線性度、遲滯性、重復性和靜態(tài)誤差。
基于PC的虛擬儀器
虛擬儀器的硬件
由分析可知,若想測量傳感器的特性指標,則必需在各校準點給傳感器輸入校準信號,同時測量傳感器的標準輸出信號值,傳感器的標準輸出信號一般為4~20mA 或1~5V,而電流信號經(jīng)采樣電阻可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。傳統(tǒng)的測量方法是用萬用表測量并記錄每次傳感器的輸出信號值,如今采用PC機加A/D擴展板卡來測量和記錄傳感器的輸出信號,則可大大提高測量精度和測量速度,而且PC機具有極強的運算能力,可方便、靈活地計算和分析傳感器的各項特性指標,具有極高的性價比。
目前,PC機都具有3個以上PCI擴展插槽,而且基于PCI總線的工業(yè)級模擬信號采集板卡種類繁多,大多可采集-10~+10V 范圍內(nèi)信號,而且采樣精度從12位到16位、采樣速度從每秒幾萬次到上百萬次不等,作為工業(yè)產(chǎn)品其工作的穩(wěn)定性和可靠性已得到共識,現(xiàn)已在工業(yè)監(jiān)控領域中得到了廣泛應用。
針對傳感器測試精度高的特點,一般要求測試儀器精度應達到5×10-4。虛擬儀器采用普通PC計算機,擴展了臺灣研華基于PCI總線的PCI-816模擬量采集板卡,板卡主要功能有:16路模擬信號差分輸入、分辨率為16位、最大采樣速度為100kHz/s、信號采樣范圍寬且可軟件編程設定、支持軟硬件觸發(fā)、可編程選擇中斷等級和DMA 傳送通道,另外,還具有16路數(shù)字量輸入、輸出。
虛擬儀器的軟件
虛擬儀器的硬件相對軟件較簡單,而儀器的操作方便與否、功能是否齊全、顯示畫面是否豐富、是否可打印輸出各種分析報表等,則完全由軟件設計水平來決定。軟件采用VC++6.0在Windows環(huán)境下編制,程序功能結(jié)構框圖如圖1所示,可在WindowsNT/98/2000/XP 操作系統(tǒng)下運行,具有畫面顯示直觀,操作方便、靈活等特點。
圖1程序功能結(jié)構圖
虛擬儀器軟件運行后,可通過下拉式菜單或工具欄按鈕來完成數(shù)據(jù)采集或輸入、修改、計算、顯示畫面切換和結(jié)果打印輸出等操作。為方便輸入、修改各種數(shù)據(jù),采用如圖2所示的集成度較高的數(shù)據(jù)輸入、修改對話窗口,其中傳感器名稱、型號和循環(huán)試驗次數(shù)可直接輸入,而傳感器各校準點設定值和試驗中所測量數(shù)值則可按設定在新增和修改間變換輸入。例如需連續(xù)輸入各校準點的設定值,則可通過在操作方法組框中選中[校準輸入或測試數(shù)據(jù)]復選框(對于測量數(shù)據(jù)的操作則取消選中),同時選中[連續(xù)操作]復選框,如圖2中所示,即可連續(xù)輸入。另外可通過選中4個單選銨鈕[設置] 、[插入]、[追加]和[刪除]中的不同銨鈕來設定對當前下標(行程編號) 數(shù)據(jù)的不同操作。這樣可在一個對話窗口內(nèi)完成整個數(shù)據(jù)的采集、修改,大大提高了對數(shù)據(jù)的操作效率。每步操作的同時,在程序窗口可顯示所有參數(shù)的當前數(shù)據(jù)。
圖2 數(shù)據(jù)輸入、修改對話窗口
校準點數(shù)量和所需測量值數(shù)量由程序按輸入校準點數(shù)和循環(huán)次數(shù)自動計算。程序自動檢驗輸入校準點數(shù)量(M)與測量值數(shù)量(N)是否滿足式(1),如不滿足則計算菜單項和工具欄中計算按鈕無效,直至兩者滿足式(1)關系。在檢查確認數(shù)據(jù)正確性后即可計算傳感器各項靜態(tài)指標。
測試數(shù)據(jù)的顯示和打印
對于輸入或測量的數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果,程序可在不同的彈出窗口內(nèi)以表格、曲線、直方圖等多種形式顯示出來,提供了以獨立文件和分類數(shù)據(jù)庫形式存儲,預存了不同打印輸出報表格式??赏ㄟ^選取不同的菜單項或按鈕來選擇不同顯示和打印輸出方式。
打印輸出報表提供了二次設計功能,即可通過軟件中的繪圖和字符串編輯功能,自行設計打印輸出報表格式。
應用實例
虛擬儀器已在實際傳感器測試中應用。表2是對1個壓力傳感器(量程:1MPa),采用5個校準點,重復循環(huán)試驗3次所測量計算的部分數(shù)據(jù)(置信系數(shù)α=3) 。
表2 壓力傳感器測量計算的部分數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)的計算結(jié)果見表3
表3 壓力線傳器數(shù)據(jù)測試計算結(jié)果

結(jié)束語
文中雖然未對用此虛擬儀器來測量、分析傳感器的動態(tài)特性作介紹,但可參照對靜態(tài)特性的分析方法來分析傳感器的動態(tài)特性,利用虛擬儀器具有快速A/D轉(zhuǎn)換的功能,在傳感器輸入量發(fā)生階躍或連續(xù)變化的同時,對輸出量作連續(xù)的A/D 采樣,通過對采樣結(jié)果的分析,即可得出傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。
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