基于LabVIEW设计的建筑压阻式压力传感器校准系统的设计与实现

牛萍萍

（陕西职业技术学院 陕西 西安 710100）

基于LabVIEW设计的建筑压阻式压力传感器校准系统的设计与实现

牛萍萍

（陕西职业技术学院 陕西 西安 710100）

在传感器设计过程中压阻式压力传感器存在的主要问题是温度飘移和非线性问题，这种问题影响传感器性能的发挥，所以必须对传感器实施性能补偿，弥补测量误差。本文主要通过设计一种LabVIEW压阻式压力传感器校准系统来完善感器校准功能，利用软件设置和硬件设计，并通过反复的实验证明校准装置的精确度和稳定性，以便设计出高性能的传感器校准系统。实验结果表明该系统能够满足压阻式压力传感器稳定性和精确度，并使其稳定性和精确度提高了72%、76%。

LabVIEW；压阻式；压力传感器；校准系统

LabVIEW式压阻式压力传感器具有其他传感器所所没有的性能，比如其具有较高的灵敏度和精确度，而且体积比较小，可靠性高，被广泛应用于石油化工、航天航空领域。压阻式压力传感器在应用过程中存在温度补偿和非线性样式问题，一般系统会通过软件和硬件两种方式实施补偿设计，提高系统对温度飘移和非线性的控制。

文中主要利用LabVIEW设计对压阻式压力传感器校准系统进行设计和实验，以便提高其应用性能。

1 系统概括

压阻式压力传感器校准系统是一种基于LabVIEW的传感器输出校准模块，能够应用于各种传感器输出系统的修正和补偿中，并采用上下位机方式构建智能校准系统，并按照一定的系统设计方式进行修正分析，压阻式压力传感器校准系统总体框架见图1。

系统的工作原理：系统上位机发动出采集命令后，上位机实施命令节接受和分析，并在此过程中完成温度和压力的处理，然后将分析后的数据上传到上位机中。上位机对下位机采集的新型号进行规范化处理，并计算拟合系数，并将阶段结果发送到下位机系统中，最后下位机将信息存储为传感器中加以修正处理。

图1 压阻式压力传感器校准系统总体框架

2 传感器系统硬件选型和校对

2.1 传感器选型

本次研究采用的压力传感器为NS-WL1型压阻式拉压传感器，此传感器采用的结构为悬臂剪切结构，这种结构的传感器具有较高的稳定性和精确度，安装起来比较简单，工艺成熟度高。其主要技术指标如下：额定电压：0～12 V，额定输出电压：0～5 V，荷载：500 kg；精确度：0.05%，零点输出：＜±1，非线性≤±0.02，重复性≤±0.021。

2.2 传感器校准机构设计

一般情况下，基于LabVIEW设计的压阻式压力传感器校准系统的设计有较大的线性范围，在测量仪表的输出和输入量之间存在线性关系，这种关系能够保证仪表在整个测量范围内具有相同的灵敏度，有利于信息的处理和读取。压力传感器在非电量测量中一般利用各种类型的传感器进行电量转换，在实际转换过程中由于受多方面因素的限制，可能会存在误差，为了保障测量仪表输出系统之间的线性关系，必须对传感器进行非线性补偿，补偿系统各种误差。压力传感器的校准硬件一般采用杠杆式载荷，结合计量学性能进行杠杆组合，结合国家规定的校对标准实施校准分析，将压力传感器的载荷进行分析、校准。

3 传感器校准系统软件设计

3.1 数据采集系统设计

本次研究采用的是NI公司生产的一种数据采集卡6024E，并将其作为数据采集设备进行分析，通过LabVIEW6.0软件实施数据采集和显示。利用这种方法进行系统分析的过程中我们主要采用对数据采集卡进行数字化分析，包括对通道、设备好评及采样率的分析。数据采集一般会通过信号条理分析后被保存在磁盘中，传感器的活动长度被改变以后记录下校准程序的电压值进行下一步的分析。传感器安装在校准机构上后利用数据采集卡进行信号模拟分析，首先对数据采集实施初始化设置，每次对压力传感器活动杆长度记录下以后，要及时记录电压值数据，最后进行标定结果分析，并得出校准方程式。

3.2 信号调理分析

传感器在工作过程中输出的模拟信号相对比较微弱，所以在分析的过程中应该将信号进行调理分析，将原有的信号放大至A/D范围内，便于以后实施传感器数据采集。系统单片机内具有编程增益放大器作用，能够对ADC进行放大输入，能够设置的放大倍数有2、4、6、16、64等。本次研究的压力传感器一般为2 mV/V，桥压一般为10 V，输出电压设定为20 mV，PGA的放大倍数一般设置为8。

3.3 通讯接口设计分析

系统总线一般选择RS485型号，然后利用差分接收器和平衡驱动器联合的方式实施数据传输处理，这种方式的应用能够提高系统抗共模干扰的能力，使系统具有很好的抗噪声和抗干扰性，提高系统性能。而信号采集装置一般采用的是RS485总线，利用这个总线数据实时数据传输和通信信号的完成，这个过程信号命令的接受一般是通过通讯接口实现，在此基础上完成相应的数据操作，然后再次利用通信接口完成数据采集传输功能，以便能够顺利的实现将数据传输到上位机或者是其他设备上。

3.4 系统电源电路设计分析

此系统的信号采集装置一般采用的是可充电的锂电池形式，在这个电源系统中给装置内各个模块的元件器提供工作电压，而信号采集装置一般采用的是低工作电压形式完成工作电压的测量，整个装置需要的电压值为+5 V、+3.3 V，这个电压的装置的采用能够很好的降低信号采集装置的功耗，提高系统的可靠性，降低外界对系统运行的干扰。

3.5 温度传感器

系统在运行的过程中可能对温度飘移实施补偿处理，在处理过程中可以测量传感器所在环境的值，并在此基础上将这个测量值传输到上位机上，上位机完成校准后测量系统问题，以便能够利用这种东东修正传感器压力输出值。一般情况下，系统运行中温度测量采用集成数字温度传感器的方法实现。

3.6 下位机程序设计

利用SL公司生产的集成开发环境为开发平台进行分析，同时利用图形化配置软件对各个系统模块进行配置分析。程序配置一般包括数据采集处理、串口中断分析、数据处理和主程序处理等等，程序流程图见图2。在程序分析汇总首先对串口中断中接收到的数据进行详细的分析，在有效操作命令下将位置标志传递到主程序中，以便能够在主程序中完成相应的操作命令，完成以后将标识位清除干净。下位机的有效命令为校准命令，其中校准命令又可以分为温度采集、压力采集以及修正分析，利用这些程序完整个下位机的分析和压力值的读取。

图2 下位机程序流程图

3.7 上位机分析

基于LabVIEW的函数库中提供了串口通讯函数，这种函数分析能够很好的升级下位机与PC机的串口通讯。在分析过程中我们使用的通讯协议一般是：密码字+地址+数据域+结束字，数据位：8，在分析的过程中没有奇偶校对分析。上位机的工作流程：首先是命令的发送，上位机向下位机发送命令，下位机采集命令信息后，上位机会从串口读取信息，并返回主程序继续执行信息的查询。串口通信程序一般是规范化多项拟合分析，在此基础上完成这个系统的数据采集和分析。

3.8 信号电路设计

一般情况下，数据采集系统的现场环境比较复杂，各种干扰信息可能会影响数据采集的准确性的提高，并且实验数据采集频率比较低，这种采集方式容易减少对高频数据的分析，所以在数据采集的过程中一般需要进行低通滤波处理和巴特沃斯处理，这种处理方法频特性比较好，而且具有很好的幅度特性。同时我们应该注意在采集的过程中处理数据信息的准确性，通常情况下我们为了减少计算机的数据分析量，需要对采集的数据进行低通滤波处理，然后分析其压力和位置。

4 实验应用分析

本次试验应用分析我们采用某建筑公司实施的某型号压阻式传感器零点热漂移修正为例进行分析，首先我们分别测量传感器在-5℃～80℃环境下的输出电压，在这种情况下我们能够得到一个热漂移拟合方程：

然后我们能够根据此公式得到一个零点热漂移拟合曲线，根据拟合曲线分析列出零点热漂移修正，然后根据修正后的传感器分析标准误，标准误的分析要根据表1中的数据进行计算，由表1可以看出本次试验在0～50℃环境下，零点热漂移的修正误差一般为5%。

表1 试验和误差分析

5 结 论

根据以上试验数据分析，发现基于LabVIEW压阻式传感器校准专职能够比较准确的得到传感器的压力回归方程，从而实现压力信号的高精度采集，然后我们利用数字式温度传感器测量其温度，利用这种电路板轻便、小巧的测量方式能够很好的完整整个电路的设计工作，同时能够很好的降低数据采集成本。经过一系列的调试，其压力和精度的采集和数据传输能够达到设计要求，从而能够很好的满足压力传感器的设计需求，而且这种方法能应用于其他传感器的温度补偿中。所以说利用LabVIEW编写的数据采集与现实系统能够比较方便的完成信息采集和数据分析，提高传感器分析精确度。

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Design and implementation of the calibration system of the building pressure resistance type pressure sensor based on LabVIEW

NIU Ping-ping
（Shaanxi Vocational and Technical College，Xi'an 710100，China）

In the sensor design process the main problems exist piezoresistive pressure sensor temperature drift and nonlinear problems that affect the play sensor performance，it is necessary to implement the compensation performance of the sensor，to compensate measurement errors.In this paper，through the design of a LabVIEW piezoresistive pressure sensor calibration system to improve the sensor calibration function，set using software and hardware design，and by the accuracy and stability of repeated experiments show that the calibration device，in order to design high-performance sensors calibration system.Experimental results show that the system can meet the piezoresistive pressure sensor stability and accuracy，and it improves the stability and accuracy of 72%，76%.

LabVIEW；piezoresistive；pressure sensor；calibration system

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0178-03

2016-02-28稿件编号：201602177

牛萍萍（1986—），女，安徽六安人，硕士研究生，助教。研究方向：建筑安全。