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壓力傳感器的虛擬儀器校準(zhǔn)技術(shù)
摘 要：本文概述虛擬儀器所帶來(lái)的傳感器觀念新的變革，同時(shí)介紹用虛擬儀器語(yǔ)言LabWindows/CVI研制的壓力傳感器計(jì)量和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)軟件，用虛擬儀器語(yǔ)言和MATLAB、ActiveX技術(shù)連接和密切結(jié)合，為虛擬儀器校準(zhǔn)儀提供了更為廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabWindows/CVI；MATLAB；ActiveX；壓力傳感器；實(shí)時(shí)校準(zhǔn)
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(xiàn)代測(cè)試儀器的革命
在過(guò)去的20年中，電腦設(shè)備的迅速普及促進(jìn)了測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化儀器系統(tǒng)的革新，其中zui顯著的一點(diǎn)就是虛擬儀器概念的出現(xiàn)與發(fā)展，以及虛擬儀器為工程師和科學(xué)家們提高生產(chǎn)率、測(cè)量精度及系統(tǒng)性能方面所提供的便利。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬各種傳統(tǒng)儀器的功能，并將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，測(cè)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)儀器，測(cè)量更、功能更為強(qiáng)大的儀器儀表來(lái)滿足社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)研究的需要。
一套虛擬儀器系統(tǒng)就是一臺(tái)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)或工作站配上功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驅(qū)動(dòng)軟件，它們?cè)谝黄鸸餐瓿蓚鹘y(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測(cè)量系統(tǒng)到以軟件為中心的測(cè)量系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。以軟件為主的測(cè)量系統(tǒng)充分利用了常用臺(tái)式計(jì)算機(jī)和工作平臺(tái)的計(jì)算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等諸多用于提高工作效率的強(qiáng)大功能。雖然硬件集成電路技術(shù)在過(guò)去的20年里有顯著的發(fā)展和提高，但是，軟件才是在功能強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的真正關(guān)鍵所在。以軟件為中心的虛擬儀器系統(tǒng)為工程師提供了創(chuàng)新技術(shù)并大幅降低了生產(chǎn)成本。有了虛擬儀器，就可以根據(jù)需求組建測(cè)量系統(tǒng)，而不用再受功能固定（*由廠家提供）的傳統(tǒng)儀表儀器的限制，簡(jiǎn)化讀取數(shù)據(jù)的工作，把大量的時(shí)間用于數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和處理的分析工作。
隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器（壓力變送器）正朝著小型化、集成化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。為了保證和提高傳感器及變送器的測(cè)試精度和穩(wěn)定性，特別是長(zhǎng)期穩(wěn)定性和廣泛適應(yīng)環(huán)境的工作能力，人們除了開(kāi)發(fā)新原理、利用新材料研制新型傳感器之外，還必須對(duì)所有傳感器和變送器進(jìn)行計(jì)量和定期校準(zhǔn)。一種傳感器的虛擬儀器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)或方法可以進(jìn)一步保證傳感器的測(cè)試度，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
2 壓力數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集
壓力是氣動(dòng)和流體測(cè)量的重要參數(shù)，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和流體測(cè)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(shù)來(lái)校準(zhǔn)和計(jì)量傳感器，保證和改進(jìn)測(cè)量度已成為*的一項(xiàng)重要工作。
壓力測(cè)試或計(jì)量的重要環(huán)節(jié)是壓力數(shù)據(jù)的采集。在壓力計(jì)量中，規(guī)范了傳感器的靜態(tài)特性測(cè)試條件，如環(huán)境溫度，壓力基準(zhǔn)，供電電源等。其中檢測(cè)儀器的基本誤差δ應(yīng)小于傳感器基本誤差的1/5 ~ 1/10，因此當(dāng)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集時(shí)，應(yīng)注意配置高抗*力的性能優(yōu)良的模數(shù)變換器，例如16位精度的A/D變換器，或者能與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的多位精密數(shù)字電壓表，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
| 圖1 壓力傳感器的虛擬儀器校準(zhǔn)系統(tǒng) |
對(duì)于多個(gè)壓力傳感器的校準(zhǔn)，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(kāi)關(guān)的數(shù)字電壓表進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)試和紀(jì)錄，例如美國(guó)Keithely公司提供的2700型6位半（1/2）高性能數(shù)字電壓表/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)插入開(kāi)關(guān)模塊時(shí)，可達(dá)到20~40路直至高達(dá)80通道的傳感器測(cè)試和精密度0.002%的電壓測(cè)量。儀器配置的RS232串行通信或IEEE488（GPIB）并行通信接口，增強(qiáng)了數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)功能，在虛擬儀器軟件支持下，如利用數(shù)字濾波，信號(hào)處理與分析技術(shù)，會(huì)更精密地獲取數(shù)據(jù)。
3 傳感器靜態(tài)性能測(cè)試
壓力傳感器的靜態(tài)工作特性必須遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的檢定過(guò)程進(jìn)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(duì)應(yīng)于壓力p的傳感器輸出。
遵照檢定規(guī)程要求，對(duì)于傳感器在順序重復(fù)多次循環(huán)加減載后，用計(jì)算機(jī)獲取的數(shù)據(jù)可用端點(diǎn)平移法或zui小二乘法求取直線的特性參數(shù)，b，并計(jì)算出被檢測(cè)傳感器的性能參數(shù)，如量程、重復(fù)性誤差、遲滯、線性誤差和包含有隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差在內(nèi)的傳感器基本誤差（不確定度）。
已經(jīng)研制和編制成功的傳感器靜態(tài)特性測(cè)試界面如圖2所示。
圖2 傳感器靜態(tài)特性界面
采用基于C語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言LabWindows/CVI并通過(guò)人機(jī)交互式編程方法，迅速簡(jiǎn)易地建立漢字圖形化界面，實(shí)現(xiàn)直接測(cè)試或文件方式讀入數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理。這種方式增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI是美國(guó)NI（National Instruments）公司開(kāi)發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以在多種操作系統(tǒng)（Windows98/NT/2000，Mac OS和UNIX）下運(yùn)行。它以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。
4 傳感器的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)
傳感器采用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，即在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)所用的傳感器進(jìn)行即時(shí)標(biāo)定和校準(zhǔn)，因此可以消除傳感器的溫度和靈敏度偏移所產(chǎn)生的誤差，進(jìn)一步提高傳感器測(cè)試精度。要實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)必須提供一個(gè)精密度更高的程控基準(zhǔn)源，例如美國(guó)780B電子掃描系統(tǒng)或8400系統(tǒng)，采用0.02％精度的壓力基準(zhǔn)，可程控給出不同的基準(zhǔn)氣壓，此時(shí)傳感器的靜態(tài)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(tài)函數(shù)關(guān)系，可用方程式描述為
稱為壓力傳感器靜態(tài)方程。其中為截矩，b1，…，bn為系數(shù)。
目前大多數(shù)壓力傳感器的靜態(tài)特性用線性方程模擬，但*呈現(xiàn)線性關(guān)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(tài)特征表示為
分別稱為三點(diǎn)方程、四點(diǎn)方程和五點(diǎn)方程。
式中，C0為零點(diǎn)系數(shù)；C1為靈敏度系數(shù)；C2，C3，C4為非線性系數(shù)；Vx為對(duì)應(yīng)于輸入壓力Px的電壓值。
在校準(zhǔn)時(shí)，可根據(jù)精度要求分別給出不同的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，從而建立三點(diǎn)、四點(diǎn)、五點(diǎn)線性方程，獲得矩陣，例如五點(diǎn)校準(zhǔn)后給出：=
求解系數(shù)矩陣的一種簡(jiǎn)易方法是在LabWindows/CVI環(huán)境中調(diào)用流行的MATLAB功能函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LabWindows/CVI與MATLAB二者的結(jié)合，是虛擬儀器在提高其技術(shù)水平上起到推波助瀾的作用。通過(guò)這種連接，可以方便地通過(guò)逆矩陣的函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系數(shù)矩陣的求解。
已經(jīng)研制和編制成功的利用MATLAB連接應(yīng)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(jì)算界面
傳感器的度可用符合正態(tài)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(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際值與測(cè)量值的偏差；n為校準(zhǔn)點(diǎn)的總數(shù)；FS是滿量程。
對(duì)于溫度變化比較靈敏的傳感器，例如固態(tài)壓力傳感器，當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感器的零點(diǎn)和靈敏度系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)傳感器的特性應(yīng)增加溫度的影響，即式中，Ct為溫度修正系數(shù)。
已經(jīng)研制和編制成功的傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)測(cè)試界面如圖4所示。對(duì)一只傳感器用同一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在線性與非線性特征方程中比較后，得出在使用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)后改善了計(jì)算結(jié)果的度，使得壓力傳感器精度更高。
圖4 傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)測(cè)試界面
5 曲線與圖表
Microsoft Excel 是常用的數(shù)據(jù)電子圖表軟件，使用它能夠清晰表示出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并可以執(zhí)行數(shù)據(jù)基本操作如加、減、乘、除、開(kāi)方等運(yùn)算，為了完成LabWindows/CVI和Microsoft Excel的連接，使其可以組裝成為一個(gè)簡(jiǎn)易的應(yīng)用程序，通過(guò)采用DDE動(dòng)態(tài)連接技術(shù)或者ActiveX自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)程序（后者是一種基于COM和OLE（Object Link and Embedded）對(duì)象連接與嵌入技術(shù)），形成兼有圖形、表格、漢字和數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)測(cè)試報(bào)告，如圖5表示的。
圖5 生成Excel校準(zhǔn)檢定報(bào)表界面
6 結(jié)束語(yǔ)
用虛擬儀器和LabWindows/CVI語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的壓力傳感器校準(zhǔn)儀器及其數(shù)據(jù)處理方法，綜合目前規(guī)范的壓力校準(zhǔn)和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，溫度修正技術(shù)，提供了靈活方便的漢字圖表功能，它簡(jiǎn)化了傳感器的校準(zhǔn)工作，給流體壓力測(cè)量和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化以及提高傳感器校準(zhǔn)精度提供了方便的實(shí)現(xiàn)手段。
虛擬儀器語(yǔ)言與MATLAB和ActiveX技術(shù)密切結(jié)合，增強(qiáng)了靈活性和系統(tǒng)功能，具備廣泛的通用性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 國(guó)家技術(shù)*.壓力傳感器（靜態(tài)）中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程.1994年6月1日實(shí)施。
[2] 張毅剛，喬立巖等.虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南.機(jī)械工業(yè)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(chǔ)與應(yīng)用簡(jiǎn)明教程.北京航空航天大學(xué)出版社，2001年1月.
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