基于虛擬儀器的力傳感器的自動檢定系統設計

摘 要：根據力傳感器的檢定工作原理，設計出一個自動檢定系統。該系統運用虛擬儀器技術，實現了對靜重式力標準機的自動控制、自動采集檢定數據、自動對數據進行分析計算并生成檢定記錄等功能。該系統能夠提高效率檢定工作的效率、降低人員的工作強度。

關鍵詞：力傳感器；虛擬儀器；力標準機；檢定

引言

力傳感器是一種將力值轉換成電信號的傳感器，它測量用于測量金屬材料的力學性能的試驗機，所以它對工業生產和科學研發來說很重要。在長期的工作中，力傳感器的力學特性受環境的影響發生變化，所以需要對力傳感器的力學性能進行檢定。在以往的檢定工作中，檢定人員一般都是手動檢定、人工讀取和計算檢定數據。為了提高檢定工作的效率和準確率，減少人為因素帶來的誤差?？梢圆捎锰摂M儀器技術設計出一個力傳感器的檢定系統，實現對力標準機的自動控制、檢定數據的自動采集、處理和儲存等功能。

1 檢定系統的硬件構成

靜重式力標準機：靜重式力標準機是一種精度最高的力標準機[1]。理論上，通過這個砝碼產生的標準力就可以對傳感器進行測試和檢定[2]。本此設計用到的靜重式力標準機的規格為（0～100）kN，準確度等級為0.01級。

工控機：通過工控機上的LabVIEW軟件來驅動各部分硬件，從而實現檢定系統的數據采集、處理、顯示和砝碼控制等功能。

PLC：本次設計采用三菱的FX3u系列PLC，可利用RS-232協議實現與工控機軟件部分之間的數據通信[3]。PLC為工控機提供砝碼托盤的位置，并將工控機的控制信號作用于砝碼托盤電機，實現砝碼的加/卸載。

旋轉式編碼器：將砝碼托盤上升/下降的位移信號轉成電脈沖的數字信號送入PLC中。

2000標準負荷測量儀：測量儀表是采用RS-232協議與力傳感器、工控機進行通訊，將檢定數據送入工控機中。

打印機：負責打印記錄表格和檢定證書。

2 系統的軟件開發

2.1 系統主程序的設計

本次設計的軟件開發采用的是虛擬儀器的LabVIEW開發平臺。LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發環境[4]。力傳感器檢定系統軟件的主控程序如圖2所示。首先登陸系統，在進入工作界面后，保證檢定從零負荷開始工作。然后設定檢定項目，檢定項目分為非線性檢定和蠕變檢定[5]，根據設定的檢定項目來確定檢定點數、次數和砝碼加/載后的等待時間。設定完畢后，檢定系統自動進行砝碼的加/卸載工作，并對檢定數據自動進行處理。最后，根據檢定數據進行分析計算，并生成檢定記錄的表格和證書，將之打印出來，完成檢定工作。

2.2 系統的通訊模塊設計

在編寫數據通訊模塊時，首先需要在PLC中編寫程序，此程序實現與工控機的通訊。例如配置通訊格式，還有定義置位PLC中的控制電機正/反轉的中間繼電器的指令。然后在工控機中編寫相應的通訊模塊式，該程序模塊通過LabVIEW平臺中的VISA串口子函數來實現通訊功能。設置數據長度為8位、偶校驗、停止位1位、波特率9600b/s。“VISA讀取”函數負責采集PLC采集到的砝碼托盤位置信號。電機正/反轉的命令通過“VISA寫入”函數傳到PLC中，完成對砝碼電機的控制。

2.3 系統的人機界面設計

在顯示數據表格的控件上設置四列，第一列顯示每個檢定點需要加/卸載砝碼的級數，剩下三列分別用來顯示完成三次進回/程檢定工作的被檢數據。數據表格旁為砝碼加/卸載的顯示控件，能夠能實時地觀察到砝碼的加/卸載工作。

2.4 數據處理模塊的設計

在工作完成后，可根據規程提供的公式，對檢定數據計算出重復性R、直線度L、滯后H、長期穩定性S等技術指標。如果需要蠕變檢定，還要算出蠕變Cp和蠕變恢復Cr。

3 結束語

本次設計的力標準機自動檢定系統在軟硬件方面，通過虛擬儀器技術實現工控機與PLC、2000標準負荷測量儀的通訊；自動加/卸砝碼；自動采集力傳感器的檢定數據；對采集到的檢定數據進行分析、計算和保存，并生成檢定記錄。經測試證明，該檢定系統相對于傳統的力傳感器檢定工作不僅提高了效率，而且保證了檢定結果的準確性。另外，該檢定系統稍加改進，便可以適用于不同型號/規格的靜重式力標準機完成對力傳感器的檢定工作，兼容性較強。

參考文獻

[1]張智敏，張躍，周宏，等.全自動1MN靜重式力標準機[J].計量學報，2008，29（1）：65-68.

[2]施昌彥.現代計量學概論[M].北京：中國計量出版社，2003.

[3]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業出版社，2008：224-228.

[4]Johnson G W，Jennings R.LabVIEW graphical programming[M].McGraw-Hill Companies，2001.

[5]趙守忠，夏勇.傳感器技術及應用[M].北京：中國科學技術出版社，1997：59-63.