多通道壓力傳感器多參數自動測試系統設計

唐勝武， 李冰冰， 王 旭

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

多通道壓力傳感器多參數自動測試系統設計

唐勝武， 李冰冰， 王 旭

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

設計了一種壓力傳感器自動測試系統，可實現對多路傳感器和多個參數的自動切換測量。通過設計的多功能矩陣開關電路配合一臺高精度數據采集器，實現選通切換與測量；采用LabVIEW設計上位機軟件，實現標定數據、溫度補償數據、時漂數據顯示以及計算、報表功能。實驗證明：該系統可同時進行90只壓力傳感器的橋路電壓、電阻、電流等參數測量，滿足精度為1 %～0.1 %壓力傳感器批量產品檢測與檢定的多種測試需要。

多通道； 多參數； 壓力傳感器； 矩陣開關； 自動測試系統

0 引 言

近年來，為解決壓力傳感器生產與檢定過程中人工操作強度大、工作效率低等問題，一些企業、科研院所相繼開展了傳感器自動測試系統研制。文獻[1，2]設計了一種壓力傳感器自動測試系統，將計算機與儀器連接，實現了單只壓力傳感器的自動測試與數據處理；文獻[3,4]分別設計了多通道壓力傳感器自動校準與檢測系統。但目前這些測試系統僅是對傳感器輸出電壓進行切換測量，不能滿足壓力傳感器生產過程中不同工序的多參數測量要求。

本文設計一種壓力傳感器自動測試系統，該系統通過總線將多路選通電路與矩陣開關電路進行級聯設計，實現組合邏輯切換控制，配合一臺高精度數據采集器并結合采用LabVIEW軟件編寫的上位機程序，實現了對90只傳感器的工作電流、橋路電壓、輸出信號、橋路電阻等多個參數的測量和通道切換、供電、接點選擇等控制功能，滿足精度為1 %～0.1 %壓力傳感器批量生產產品檢驗與標定的需要。

1 系統結構設計

測試系體總體結構如圖1，主要由主機、數據采集器、采集控制器、程控電源、多串口卡組成。系統外部配置壓力測控儀和恒溫箱，為傳感器提供標準壓力和溫度環境；采集控制器是系統的執行核心，通過其中的測量控制電路控制傳感器通道選擇與開關矩陣的邏輯切換，實現傳感器橋路各待測電壓、電阻、電流點的交叉組合輸出，并提供多路穩定恒流源供電；數據采集器完成輸入信號測量功能；系統主機通過以太網口和擴展的串口對其他設備進行控制和數據交換[5,6],實現計算、存儲與報表打印功能。

圖1 測試系統總體結構Fig 1 Overall structure of test system

2 系統硬件設計

根據壓力傳感器標定[7]、溫度補償數據采集等測試要求，系統需分別完成90路傳感器的工作電流I、橋壓VB、輸出信號VO、零點及滿量程輸出信號VFS、橋臂電阻(R1,R2,R3,R4)等參數測量。電阻測量時，需控制切斷傳感器供電。傳感器各參數測量的采樣位置如圖2所示,虛線部分為傳感器內部電橋結構，Ri為電流測量取樣電阻。

圖2 壓力傳感器數據采集示意圖Fig 2 Diagram of pressure sensor data acquisition

系統要實現以上參數測量與控制功能，必須合理設計開關切換邏輯才能有效降低系統復雜程度，提高運行效率。

圖3給出了數據采集控制系統的示意圖，90只傳感器按照引腳標號接到系統對應的連接器(J1,J2,…，J90)上，通過開關(K1,K2,…，K90)選通一組待測傳感器，將其4根引線接入到4×4開關矩陣上，通過矩陣各交叉點開關的組合切換，將待測引腳與數據采集器的4個測量端口連接，實現任意兩點或四點的測量端接入、正反向測量等功能。

采集控制器采用模塊化設計[8]，由12塊8通道的選通控制卡構成的陣列模塊與1塊測量控制卡通過背板上的模擬信號總線進行連接，通過一套基于數字通信協議的背板控制總線進行管理。每塊卡均具有通信與控制功能，測量控制卡與系統主機交互，實現模塊與系統的雙向通信。系統在觸發閉合掃描列表中下一個測量功能后產生一個數字脈沖，在每個掃描列表連接完畢后，模塊發送脈沖，觸發下一個測量開始，整個測量順序得到了有效管理，確保實現最優吞吐量[9]。

圖3 數據采集系統示意圖Fig 3 Diagram of data acquisition system

數據采集器采用Agilent 34410型數字萬用表,通過網口與計算機相連，實現測量及其軟件編程控制功能。所有測量功能均集成于一個緊湊的高性能模塊化平臺中，具有標準的儀器驅動程序，能容易地集成至自動測試或數據采集應用。

3 系統軟件設計

系統軟件主要實現硬件系統配置、測試過程控制、測試數據處理與報表生成。數據采集軟件設計采用LabVIEW軟件的CLF技術[10]，利用采集器儀器驅動程序編程實現其硬件的動態訪問和控制；通過TCP/IP與串行通信接口進行設備控制操作與數據交互[11]；采用ACCESS數據庫實現采集數據管理。

系統軟件程序架構如圖4所示。軟件程序運行開始選擇測試功能，按測試要求配置壓力測控儀、數據采集器、采集控制器等設備初始參數。測試開始后，軟件根據設置的行程數、標定點、量程、溫度點、室溫、測量時間、測量間隔、控制誤差等參數，完成自動化標定數據、溫補數據、時漂數據采集，存儲后進行計算與數據處理，實現圖形顯示、報表生成、文件存儲功能。

圖4 軟件程序架構Fig 4 Architecture diagram of software program

4 實驗結果

系統分別進行了壓力傳感器標定、時漂、溫度補償數據采集測試[12,13]。被測傳感器量程為0～1 MPa，供電電流1.5 mA，通過串口與MENSOR600壓力測控儀通信實現壓力控制，批次測量數量90只，以下數據為其中1只傳感器的測試數據報表。

壓力傳感器標定數據采集設置6個壓力標定點，3個行程，量程上限1 MPa，量程下限0 MPa，實際供電電流為1.501 mA，標定數據與計算結果如表1和表2所示。

壓力傳感器時漂數據采集設置試驗時間為24 h，時間間隔為6 h，壓力值為0.1 MPa，滿量程為5.003 33 V，實驗結果如表3所示。

壓力傳感器溫度補償數據采集設置低溫點工作溫度為-40 ℃，高溫為125 ℃，室溫為25 ℃，量程為0～1 MPa，測試數據如表4所示。

表1 壓力傳感器標定數據Tab 1 Calibration datas of pressure sensor

表2 檢測結果數據Tab 2 Datas of test result

表3 時漂數據Tab 3 Datas of time drift

表4 溫度補償數據Tab 4 Datas of temperature compensation

實驗實現了90只壓力傳感器不同測試點的電壓、電阻、工作電流測試，整個過程無需人工干預，可自動完成傳感器通道切換、多參數測量、計算和報表生成的全部過程。實驗結果表明：本系統能夠滿足精度為1 %～0.1 %的壓力傳感器自動批量生產測試與標定需要。

5 結 論

本文設計的系統實現了壓力傳感器批量、多參數自動測量，可同時進行90只傳感器的檢測與標定數據、時漂數據、溫補數據采集，每只傳感器的測量點與被測參數可獨立切換控制，能夠滿足精度為1 %～0.1 %的壓力傳感器批量生產過程中的全部測試需要。該系統自動化程度高、控制靈活、擴展能力強，可通過級聯開關控制模塊，增加傳感器測試數量，提高檢測與標定效率。

[1] 付永杰,白 旭.壓力傳感器自動檢定系統設計[J].艦船電子工程,2008(12):127-130.

[2] 徐曉艷.基于Lab Windows/CVI下的壓力傳感器的自動測試系統[J].計量技術,2007(4):57-58.

[3] 楊洪勝,姚 進,楊振華.多通道壓力傳感器自動校準系統研制[J].中國科技信息,2010(4):130-133.

[4] 薛戰軍,卞學紅,杜玲玲,等.多通道壓力傳感器綜合測試系統設計[J].計測技術,2013,33(6):40-43.

[5] 張 丹,趙 軍,陳學峰.壓力傳感器自動綜合測試系統控制方法研究[J].計算機測量與控制,2007,15(3):369-371.

[6] 何 帆.多路壓力傳感器自動校準系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2011.

[7] Yameogo P,Heiba U,Al Bahri,et al.Self calibrating pressure sensor for biomedical applications[C]∥Proceedings of IEEE Sensors,IEEE 2009,Christchurch,New Zealand,2009:691-694.

[8] Yang Wenrong,Wang Fei,Liu Jianfei, et al.Study on the calibration signal generator for differential pressure sensor [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2011(4):14.

[9] 王 冰,唐勝武,劉 慧.基于LabVIEW的鉑電阻器自動測試系統[J].傳感器與微系統,2012,31(12):124-125.

[10] Johnson G W,Jennings R.LabVIEW graphical programming[M].[S.1.]:McGraw-Hill Companies,2011.

[11] Wang Zhongyuan,Shang Yongheng,Liu Jiarui, et al.A LabVIEW-based automatic test system for sieving chips[J].Mea-surement,2013,46:402-410.

[12] Q/UN G04 05—1994,壓力傳感器靜態精度計算方法[S].

[13] GJB 4409—2002,壓阻式壓力傳感器通用規范[S].

Design of multiple parameters automatic test system for multi-channel pressure sensor

TANG Sheng-wu， LI Bing-bing， WANG Xu

(49th Research Institute，China Electronic Technology Group Corporation,Harbin 150001，China)

A pressure sensor automatic test system is designed for measurement of multi-channel sensors and multiple parameters.A multi-function matrix switch circuit is designed with a high-precision data collector to achieve function of switch and measurement;using LabVIEW design upper computer software to achieve function of display and calculation and report of calibration data,temperature compensation data,time drift data.Experiment shows that the system can measure parameters such as bridge voltage,resistance and current of 90 pressure sensors, and meet detection and verification needs for mass production of pressure sensor with precision of 1 %～0.1 % and verification process.

multi-channel; multiple parameters; pressure sensor; matrix switch; automatic test system(ATS)

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0064—03

2014—09—12

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0064—03

唐勝武(1979-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要研究方向為智能傳感器及其測試技術。