基于虚拟仪器的传感器自动测试系统设计与实现

李波，何黎明，王林

0 引言

传感器广泛应用于工业领域中，需要适应各种工业环境，因此传感器在环境的改变情况下性能的稳定性就很重要，需要通过严格的测试才能投入使用。传统测试系统中，把传感器放置在温度试验箱中，由人工监测整个测试过程，包括调整试验箱温度，设定温度持续时间，定时记录传感器的性能参数等等，整个测试过程持续时间比较长。随着被测试的产品增加，传统的依靠人工系统已经不能满足生产的要求。本文设计了基于 PXI总线技术和虚拟仪器平台的传感器测试系统，采用了 NI的 7位半高性能数据采集卡PXI-4071和矩阵开关PXI-2503，实现了多个传感器温度性能的自动测试，改善了传统测试系统中配置时间长、效率低的问题。

1 传感器温度的性能测试

传感器温度性能的测试，需要采集传感器内阻在不同温度下的变化规律。为了方便测量，本文通过电桥电路把传感器电阻的变化，转换为电桥输出电压的变化。采集到电压数据后，通过处理和计算得出温度性能参数并给出测试结果。

1.1 传感器测试的电桥电路

图1 传感器测试电桥电路图

其中，Rs1，Rs2，Rs3是3个标准电阻，R是传感器的等效电阻，传感器的电阻值随着温度变化电阻有波动。假设电源供电电压为Vs，我们需要采集的信号为：

从上面公式可以知道Vo的变化跟传感器电阻值R的变化成正比的。

1.2 传感器随温度变化情况下的性能测试

传感器的工作环境是多变的，有时还需要在高温下工作。因此需要传感器长时间保持工作的良好状态需要做必要的测试，比如在长时间温度不变的工作环境下以及在温度变化的情况中，同一温度下性能的稳定性等等。其中温度滞后影响是最重要的评判要素之一。假设一个测试流程如下：

温度滞后计算方法如下：

?

其中，Vi(i=1,2…9)为流程相应的温度点采集到的电压信号；VR为量程压力的输出信号，依量程可视为常量处理。一般取温度滞后范围为0.06%，如果温度滞后值大于0.06%时，判断传感器不合格。

2 系统硬件的设计

系统构架如图2所示。系统结构主要分为基于PXI总线的温度与电压数据采集部分和温度环境模拟部分。

图2 测试系统结构框图

2.1 PXI总线以及相关硬件设备的选择

PXI（PCI eXtensions for Instruments）是 PCI总线在仪器领域的扩展。它是一种专门为数据采集以及自动化打造的模块化仪器平台，能满足日益增加的对复杂仪器系统的需求的系统。PXI系统由3个基本部分组成：机箱，系统控制器和外设模块。机箱背板包含有定时和触发总线，用于精确定时的星型触发总线，让高精度同步操作得以实现。通过MXI-3接口工具，PXI系统可以直接被PC或其他PXI系统控制，这给虚拟仪器的开发带来了极大的方便。根据尺寸不同，机箱有4-18插槽不等，可以根据需要方便地增加外设模块，实现系统的扩展[1]。

2.2 传感器测试环境的模拟

考虑到传感器检测所需要的温度和气压环境，并且其状态可以通过程序控制，因此采用espec快速温度变化试验箱和DHI PPC3大气压力控制器，模拟传感器检测所需要的温度和压力环境。Espec快速温度变化试验箱，是爱斯派克环境仪器公司的小型环境试验箱，可以通过 RS485串口与工控机通讯，而且具有丰富的可编程指令系统，可以通过程序控制试验箱的温度以及试验箱温度采集。类似地，DHI PPC3的指令对气压进行控制与气压状态的采集。

2.3 多传感器测试数据的采集

为了提高检测效率，测试采用多个传感器同时进行测试。考虑到有静电和电磁干扰，我们把24个传感器作为一组，放置在一个圆柱型金属容器中，并给传感器统一供电；考虑到容器里面和外面温度变化速度的变化，因此有必要再在每个金属容器中放置一个PT100，使得更准确的获取传感器环境的温度值。为了自动采集多路传感器的电压信号，我们基于NI公司的18路插槽的PXI系统平台，采用PXI-2503矩阵开关以及PXI-4071数字万用表，PXI系统控制器控制PXI-2503与PXI-4071，共同协作完成自动采集。原理图如。其中 PXI-2503是低压多路复用器/矩阵继电器开关，最大工作频率高达30KHz，一共有48个接线端，并且可以根据需要选择不同的继电器切换模式，如24路两线制，12路四线制等[2]。PXI-4071是高精度数字万用表，测量范围广，最高精度为7位半，电压测量范围±10nV到 1000V，电阻测量范围 10µΩ.到 5GΩ[3]。

图3 PXI-2503和PXI-4071配合工作原理示意图

2.4 环境温度的采集

环境温度就是工装内部的温度。工装是指存放传感器的容器，为了方便传感器测试，传感器是放置在工装中的，工装是一个闭合的金属容器，可以防止静电干扰，通过导线把测量信号引出至电压测量设备。每个工装中放置一个pt100，通过测量pt100的值来获取工装中的温度值。温度采用4线制测量方法。用 4线制法通过导线把电阻接到PXI-2503，再通过PXI-4071测量，选择4线制电阻测量方法获得pt100的电阻值，再转换为相应的温度值。原理分别如图4和图5所示。

图5 两线法电阻测量电路

图中为电流源供电，RLead为导线电阻，Rpt为待测pt100电阻，V是电压表，内阻为Rv。电流源电流大小为I，电压表读数为U，由电路分析知识可知：

所以

两线制法测量得电阻值为

从上面的比较可以知道四线制法测量电阻更精确，实际中两线法测量常温下pt100温度值为118Ω，对应温度值为46.3℃，而四线法测量得电阻值为 110Ω，对应的温度为25℃，显然对PT100电阻值采用四线制法测量是有必要的。

3 软件结构

3.1 软件整体结构

系统软件结构如图6示。整个软件结构主要分为两个主要部分，系统参数配置部分和测试流程实现部分。系统参数配置部分的功能是设置系统运行的各种参数，包括串口设置，测试流程设置等等。测试流程实现部分功能是完成测试流程，包括测试流程选择，实时数据显示，工艺进度监控以及显示测试结果；利用LabVIEW的多线程技术，在测试流程运行的同时可以方便的完成数据分析以及处理的工作，并将测试数据以及分析结果保存为Excel文件中。

图6 系统软件结构图

3.2 程序流程图

整个测试系统软件部分用 LabVIEW 进行开发。LabVIEW 本身是一个功能完整的软件开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言。一方面，由于LabVIEW采用基于流程图的图形化编程方式，因此也被称为 G语言（graphical language）。因此LabVIEW的界面设计变得非常简单，可以直接调用已有的功能图标。另一方面，LabVIEW采用自动的多线程技术，不需要用户去了解线程的分配等工作，只需要在程序上把数据流设计成并行的就可以达到多线程的目的[4]。这使得多线程技术的应用在LabVIEW变得非常简单，在数据采集系统中使用更加方便和便捷。系统的软件流程如图7示。

图7 测试系统软件流程图

4 结论

本文实现的多路传感器温度性能自动测试系统，以 NI公司的PXI-2503矩阵开关和PXI-4071高精度数字万用表以及espec温箱为硬件平台，基于LabVIEW的软件开发平台，进行系统控制和数据采集，极大地改善了传感器测试的效率。采用新型的自动测试系统后，整个测试过程不需要人工的参与，节约了人力资源。

[1] 伏金春,李志武.基于PXI总线技术的数据采集系统设计与实现.仪器仪表用户,2006(2):31.

[2] National Instrument,NI PXI-2503userguaid,2006.

[3] National Instrument,NI PXI-4071_Specifications,2006.

[4] 杨乐平,李海涛,赵勇.LabVIEW高级程序设计.清华大学出版社.