1、压力传感器的虚拟仪器校准技术 摘 要：本文概述虚拟仪器所带来的传感器观念新的变革，同时介绍用虚拟仪器语言 LabWindows/CVI 研制的压力传感器计量和实时校准软件，用虚拟仪器语言和 MATLAB、ActiveX 技术连接和密切结合，为虚拟仪器校准仪提供了更为广泛的应用前景。关键词：虚拟仪器；LabWindows/CVI；MATLAB；ActiveX；压力传感器；实时校准Abstract: This paper describes new revolution of the conceptions of sensor induced by virtual instruments. The
2、 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:
3、virtual instrument；LabWindows/CVI；MATLAB, ActiveX； pressure sensor；real time calibraton1 现代测试仪器的革命在过去的 20 年中，电脑设备的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展，以及虚拟仪器为工程师和科学家们提高生产率、测量精度及系统性能方面所提供的便利。虚拟仪器的实质就是利用计算机来模拟各种传统仪器的功能，并将现代计算机技术，测控技术和网络技术，智能技术结合起来，从而创造出超越传统仪器，测量更精准、功能更为强大的仪器仪表来满足社会生产和科学研究的需要。
4、一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，它们在一起共同完成传统仪器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然硬件集成电路技术在过去的 20 年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。以软件为中心的虚拟仪器系统为工程师提供了创新技术并大幅降低了生产成本。有了虚拟仪器，就可以根据需求组建测量系统，而不用再受功能固定(完全由厂家
5、提供)的传统仪表仪器的限制，简化读取数据的工作，把大量的时间用于数据采集质量和处理的分析工作。随着当今科学技术的发展，压力传感器(压力变送器)正朝着小型化、集成化、数字化和智能化方向发展。为了保证和提高传感器及变送器的测试精度和稳定性，特别是长期稳定性和广泛适应环境的工作能力，人们除了开发新原理、利用新材料研制新型传感器之外，还必须对所有传感器和变送器进行计量和定期校准。一种传感器的虚拟仪器实时校准技术或方法可以进一步保证传感器的测试精确度，具有广泛的应用价值。2 压力精确数据的自动采集压力是气动和流体测量的重要参数，在风洞实验和流体测量中大量使用压力传感器或压力变送器。因此如何采用最新虚拟仪
6、器技术来校准和计量传感器，保证和改进测量精准度已成为必不可少的一项重要工作。压力测试或计量的重要环节是压力数据的精确采集。在压力计量中，规范了传感器的静态特性测试条件，如环境温度，压力基准，供电电源等。其中检测仪器的基本误差 应小于传感器基本误差的 1/5 1/10，因此当采用计算机系统实现压力校准和数据自动采集时，应注意配置高抗干扰能力的性能优良的模数变换器，例如 16 位精度的 A/D 变换器，或者能与计算机实现数字通信的多位精密数字电压表，其基本结构如图 1 所示。图 1 压力传感器的虚拟仪器校准系统 对于多个压力传感器的校准，为提高工作效率，也可以采用多路 A/D 卡或者配置带多路程控
7、开关的数字电压表进行数据自动测试和纪录，例如美国 Keithely 公司提供的 2700 型 6 位半(1/2)高性能数字电压表/数据采集系统，当插入开关模块时，可达到 2040 路直至高达 80 通道的传感器测试和精密度 0.002%的电压测量。仪器配置的 RS232 串行通信或 IEEE488(GPIB)并行通信接口，增强了数字通信和网络功能，在虚拟仪器软件支持下，如利用数字滤波，信号处理与分析技术，会更精密地获取数据。3 传感器静态性能测试压力传感器的静态工作特性必须遵照国家标准的检定过程进行。传感器的工作特性也常用直线方程表示。即式中 a 为截矩； b 为斜率； V 为对应于压力 p
8、的传感器输出。遵照检定规程要求，对于传感器在顺序重复多次循环加减载后，用计算机获取的数据可用端点平移法或最小二乘法求取直线的特性参数，并计算出被检测传感器的性能参数，如量程、重复性误差、迟滞、线性误差和包含有随机误差与系统误差在内的传感器基本误差(不确定度)。已经研制和编制成功的传感器静态特性测试界面如图 2 所示。图 2 传感器静态特性界面采用基于 C 语言的虚拟仪器开发语言 LabWindows/CVI 并通过人机交互式编程方法，迅速简易地建立汉字图形化界面，实现直接测试或文件方式读入数据后进行处理。这种方式增强了系统的灵活性。虚拟仪器编程语言 LabWindows/CVI 是美国 NI(
9、National Instruments)公司开发的 32 位面向计算机测控领域的软件开发平台，可以在多种操作系统(Windows98/NT/2000，Mac OS 和 UNIX)下运行。它以 ANSI C 为核心，将功能强大、使用灵活的 C 语言平台与数据采集、分析和表达等测控专业工具有机地结合起来。4 传感器的实时校准传感器采用实时校准方法，即在现场对压力测量系统所用的传感器进行即时标定和校准，因此可以消除传感器的温度和灵敏度偏移所产生的误差，进一步提高传感器测试精度。要实现压力传感器的实时校准必须提供一个精密度更高的程控基准源，例如美国 780B 电子扫描系统或 8400 系统，采用 0
10、.02精度的压力基准，可程控给出不同的基准气压，此时传感器的静态特性用非线性方程表示，即：输入压力 P 与传感器输出电压 V 的静态函数关系，可用方程式描述为称为压力传感器静态方程。其中为截矩， b1， bn为系数。目前大多数压力传感器的静态特性用线性方程模拟，但完全呈现线性关系的压力传感器很难寻求，因此压力传感器可用非线性静态特征表示为分别称为三点方程、四点方程和五点方程。式中， C0为零点系数； C1为灵敏度系数； C2， C3， C4为非线性系数； Vx为对应于输入压力 Px的电压值。在校准时，可根据精度要求分别给出不同的标准点，从而建立三点、四点、五点线性方程，获得矩阵，例如五点校准后
11、给出：= 求解系数矩阵的一种简易方法是在 LabWindows/CVI 环境中调用流行的 MATLAB 功能函数来实现。LabWindows/CVI 与 MATLAB 二者的结合，是虚拟仪器在提高其技术水平上起到推波助澜的作用。通过这种连接，可以方便地通过逆矩阵的函数实现对系数矩阵的求解。已经研制和编制成功的利用 MATLAB 连接应用界面如图 3 所示。MATLAB 窗口被隐藏。图 3 传感器 MATLAB 与 LabWindows/CVI 连接计算界面传感器的精确度可用符合正态分布的高斯曲线表示，误差带 R 可由下列公式得到：式中 i 为第 i 个校准点实际值与测量值的偏差； n 为校准点
12、的总数； FS 是满量程。对于温度变化比较灵敏的传感器，例如固态压力传感器，当温度变化时，传感器的零点和灵敏度系数都会发生变化，此时传感器的特性应增加温度的影响，即式中， Ct为温度修正系数。已经研制和编制成功的传感器实时校准测试界面如图 4 所示。对一只传感器用同一组校准数据在线性与非线性特征方程中比较后，得出在使用实时校准后改善了计算结果的精确度，使得压力传感器精度更高。图 4 传感器实时校准测试界面图5 曲线与图表Microsoft Excel 是常用的数据电子图表软件，使用它能够清晰表示出数据的状态，并可以执行数据基本操作如加、减、乘、除、开方等运算，为了完成 LabWindows/C
13、VI 和 Microsoft Excel 的连接，使其可以组装成为一个简易的应用程序，通过采用 DDE 动态连接技术或者 ActiveX 自动化技术设计程序(后者是一种基于 COM 和 OLE(Object Link and Embedded)对象连接与嵌入技术)，形成兼有图形、表格、汉字和数据的校准测试报告，如图 5 表示的。图 5 生成 Excel 校准检定报表界面6 结束语用虚拟仪器和 LabWindows/CVI 语言开发的压力传感器校准仪器及其数据处理方法，综合目前规范的压力校准和实时校准，温度修正技术，提供了灵活方便的汉字图表功能，它简化了传感器的校准工作，给流体压力测量和风洞实验
14、自动化以及提高传感器校准精度提供了方便的实现手段。虚拟仪器语言与 MATLAB 和 ActiveX 技术密切结合，增强了灵活性和系统功能，具备广泛的通用性。参考文献：1 国家技术监督局.压力传感器(静态)中华人民共和国国家计量检定规程.1994 年 6 月 1 日实施。2 张毅刚，乔立岩等.虚拟仪器软件开发环境 LabWindows/CVI6.0 编程指南.机械工业出版社，2002 年8 月。3 National Instruments.LabWindows/CVI Standard Libraries Reference Manual.1998 年 2 月.4 张平等.MATLAB 基础与应用简明教程.北京航空航天大学出版社，2001 年 1 月.
