基于LabVIEW的MEMS電容式壓力傳感器測試系統設計

郝秀春 陳忠位 李宇翔 王佳偉 何沛凌

(江蘇大學機械工程學院 江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

電容式壓力傳感器是MEMS技術的典型代表，具有結構簡單、功耗低、響應速度快等優點，在微傳感器領域的應用日益廣泛。但其結構微小，研制難度大，在樣品測試過程中，獲取傳感器輸出電容隨環境壓力的變化特性對研制工作有關鍵作用。因此，搭建一套集壓力控制、信號采集、數據存儲于一體的壓力傳感器測試系統具有重要的理論意義和應用價值。

國內外對氣壓控制技術已有一定研究。文獻[1-2]將模糊控制理論應用于真空控制中，有效減少了超調，優化了真空控制的效果。文獻[3]通過伺服電機控制氣缸中活塞的位置，改變氣體容量來達到氣壓控制的目的，可以實現氣壓的線性變化。文獻[4] 選用高頻電磁閥作為執行機構，結合自整定模糊PID和反饋線性化，有效減小了氣壓自動控制中存在的非對稱性。文獻[5]設計了一種新型的魯棒非線性控制器，顯著地提高了系統的抗干擾能力。文獻[6]引入了模糊分數階PID控制，有效改善了系統的響應速度和控制效果。

目前，關于氣壓自動控制的文獻報道較多，但大多針對真空控制，且結合其他模塊化功能將其應用于壓力傳感器測試的報道較少。本文設計了一套以LabVIEW為開發平臺的MEMS壓力傳感器測試系統，集成壓力控制和數據采集存儲功能，對自主設計的MEMS壓力傳感器進行測試。

1 氣壓控制技術

理想條件下，理想氣體的壓強p，體積V，物質的量n，理想氣體常數R和熱力學溫度T有如下關系：

pV=nRT

(1)

改變氣體溫度，體積可以改變氣體壓力。由于系統的壓力變化范圍較大，采用流量控制方式，即通過改變氣體質量的方式改變氣壓[7]。

氣動系統中，通常利用脈寬調制方式(PWM)控制高頻電磁閥，通過算法改變PWM調節高頻電磁閥的開關時間比例，達到流量控制的目的。周期較小時適當細化脈寬，可以近似為連續控制，從而實現密閉容器內的壓力控制[8-9]。

2 系統方案設計

系統的總體結構示意如圖1所示，主要包括氣壓自動控制和數據采集存儲兩部分。密閉容器采用ISO規格的真空法蘭密封，滿足測試的密封性和強度要求。測試時壓力傳感器置于密閉容器內部，通過真空連接器與外部阻抗分析儀相連接，從而測量傳感器的輸出電容。密閉容器內部的壓力由與其相連的壓力傳感器讀出。

圖1 系統總體結構示意圖

氣壓自動控制部分主要由標準壓力傳感器、NImyDAQ數據采集卡、高頻電磁閥、電磁閥和驅動模塊組成。標準壓力傳感器用于密閉容器的氣壓檢測，傳感器的模擬輸出信號作為數據采集卡的輸入信號，信號經過AD轉換后，調用LabVIEW中的PID工具包計算系統輸出的PWM信號。NImyDAQ生成的PWM信號通過驅動模塊傳遞給高頻電磁閥，高頻電磁閥控制密閉容器內氣體與大氣的交換速率，密閉容器內氣壓穩定在設定值時關閉氣源處的電磁閥，從而保證氣壓的恒定。

數據采集存儲部分的功能是將采集的數據導入數據庫。通過GPIB協議，LabVIEW讀取阻抗分析儀采集到的電容信號，同時將氣壓和電容信號通過局域網存儲到工作站的MySQL中，可創建多個賬戶分配不同的權限，便于數據存儲管理與團隊協同合作。

由于難以針對被控對象建立精確數學模型，且系統針對MEMS壓力傳感器的定性分析，對控制精度的要求不高，因此系統采用PID算法進行控制。

比例、積分、微分的線性組合，構成控制量，稱為比例積分微分控制(PID)控制，原理框圖如圖2所示。

圖2 PID原理框圖

PID控制器的控制規律由原理框圖可知：

e(t)=r(t)-c(t)

(2)

(3)

PID是比較理想的控制規律，在比例控制的基礎上加入積分可以消除穩態誤差，引入微分控制又能提高系統的穩定速度。在實際應用中，適當地調整比例、積分和微分系數可以取得較好的控制效果[10-11]。

LabVIEW可直接調用NI公司提供的PID工具包，結合NImyDAQ可快速搭建自動控制系統，直觀地對壓力進行調節[12]。圖3是針對本系統設計的閉環控制框圖，設定壓力值，傳感器獲取當前壓力值并與設定值求差值，LabVIEW根據差值的大小自動調控輸出的PWM，從而控制高頻電磁閥與大氣交換的氣體流量，直至密閉容器內氣壓值達到設定值。

圖3 系統閉環控制框圖

3 硬件設計

系統選用NImyDAQ數據采集卡，它有8個DIO數字通道，通道可配置為通用軟件定時的數字輸入或輸出，也可用作數字計數器的特殊函數輸入或輸出。它有2個模擬輸入通道，每通道可測量的模擬輸入采樣高達200kS/s。它選用MAC高頻電磁閥35A-ACA-DDBA-1BA，通電時間約為6ms，斷電時間約為2ms，每分鐘的最高開關次數可達一萬余次。電磁閥選用亞德客2V025-08，勵磁時間在0.05s以下。標準壓力傳感器選用KEYENCE公司的AP-C30，最高分辨率可達0.1kPa，可輸出與氣壓值呈線性關系的模擬電壓信號，范圍是1～5V。

通過AP-C30測量密閉容器內的氣壓。將AP-C30的輸出端接到數據采集卡模擬量輸入端的通道0。LabVIEW將采集的氣壓值與設定的氣壓值進行比較，經PID運算后，PWM信號通過NImyDAQ的數字輸出端的通道3送到可控硅驅動模塊，驅動模塊控制高頻電磁閥調節密閉容器內氣壓與大氣的交換速率，從而實現氣壓的自動控制。系統達到穩態時，LabVIEW控制NImyDAQ數字輸出端的通道7，通過驅動模塊使氣源處的電磁閥閉合，保證密閉容器內壓力穩定在設定值。待壓力穩定時，LabVIEW通過連接在PC機的82357B型USB/GPIB接口適配線和日置IM3570阻抗分析儀通信，獲取密閉容器內電容式傳感器的輸出電容[13]。

4 軟件設計

LabVIEW具有模塊化、結構化的特性[14]。采用模塊化的思想將系統的軟件設計分為氣壓自動控制部分和數據采集存儲兩個部分。每個部分再針對具體功能進行模塊劃分，將模塊封裝為子VI。測試系統的前面板見圖4，程序框圖見圖5。

圖4 測試系統前面板

圖5 測試系統程序框圖

4.1 氣壓自動控制

氣壓自動控制部分的程序流程見圖6，預先設定目標氣壓，通過數據采集卡讀取數字壓力傳感器AP-C30返回的電壓信號，并將其轉換為對應的氣壓值。進行轉換時，輸出電壓存在的細微波動會造成較大誤差，因此采用中位數濾波法對信號進行處理，通過LabVIEW中的DAQ助手，一次采集20個數據，取中位數減少數據的波動。PID計算輸出PWM并通過NImyDAQ傳遞給高頻電磁閥，PWM的脈沖序列由采集卡的DIO3生成。檢測密閉容器內的壓力，若達到設定值則關閉氣源處電磁閥，否則繼續執行上述操作，直至滿足要求。

圖6 氣壓自動控制和數據采集與存儲的流程圖

4.2 數據采集與存儲

GPIB是控制器和可編程儀器之間通信的一種總線協議，也稱為IEEE488標準。根據最新的488.2-1992標準，其數據傳輸速率達到8Mbit/s，能實現儀器之間和儀器與計算機之間的雙向高速通信[15]。基于LabVIEW的GPIB控制程序包括GPIB接口卡驅動程序和主控程序。安捷倫公司提供82357B在LabVIEW環境下的驅動程序，編寫程序時，只需調用LabVIEW的GPIB函數庫中的GPIBWrite和GPIBRead函數即可實現與阻抗分析儀的通信。GPIB程序架構如圖7所示[16]。

圖7 GPIB程序架構

利用LabVIEW開發該測試系統時，不可避免地要進行數據庫訪問。使用數據庫訪問技術，可以實現數據共享，減少數據的冗余度，便于數據分析，這是傳統數據管理方法難以相比的，但是LabVIEW本身并不具備數據庫訪問功能[17]。綜合比較后，選用LabVIEW數據庫訪問工具包LabSQL對數據庫進行操作。LabSQL在LabVIEW中使用ActiveX功能，通過MicrosoftADO和SQL語言調用ODBC接口函數庫和驅動程序，實現數據庫訪問，將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的子VI，簡單易用[18-19]。其結構層次如圖8所示。

圖8 訪問數據庫層次結構圖

數據存儲部分流程見圖6。根據具體情況設定一次存儲的數據量，點擊前面板的開始采集按鈕后，LabVIEW連接MySQL數據庫，主要使用LabSQL工具包中的SQLExecute子VI向對應的表中按字段添加記錄，記錄的數據個數達到設定量時關閉數據庫并重置布爾變量，使程序重新進入等待狀態。

5 實驗過程與結果

5.1 氣壓自動控制

以一組連續正壓控制為例，實際過程控制見圖9。將壓縮機連接到密閉容器，高頻電磁閥頻率設為10Hz，依次將目標壓力設為10、20和30kPa。降壓控制時，入口處電磁閥切斷氣源，依次將目標壓力設置成30、20和10kPa。系統穩態誤差均小于0.3kPa，其控制效果與氣源、PID控制參數、標準壓力傳感器的精度和高頻電磁閥的頻率有關，適當優化可以取得更好的效果。

圖9 氣壓連續控制過程圖

5.2 數據采集與存儲

在實際的測試中，為了增大傳感器的實際電容輸出選擇了16個(4×4陣列)尺寸均相同(膜半徑為100μm，膜厚為2.3μm，極板間距為1.7μm)的絕對壓力傳感器陣列進行測試。控制密閉容器內壓力從20至120kPa依次遞增，間隔為10kPa，設定數據記錄個數為3，每次當氣壓穩定在設定值時，將阻抗分析儀采集的電容信號和密閉容器的氣壓值存儲到MySQL數據庫。表1給出了MySQL中存儲的電容測量值，并用MATLAB繪制出電容-壓力響應特性曲線的理論計算值與實驗測量值得對比圖，如圖10所示。測量值與仿真值變化趨勢一致且測量值略大，可能是由測試系統存在的雜散電容，或者MEMS工藝產生的誤差造成的。

圖10 傳感器輸出電容與壓力曲線

表1 壓力傳感器實驗數據

6 結 語

本文設計了一套基于LabVIEW的MEMS壓力傳感器測試系統。該系統結合LabVIEW的可視化圖形編程語言，實現了對壓力的在線監測與調控。引入了MySQL，可對所測樣品添加標簽，便于數據的存儲與管理。該研究簡化了MEMS壓力傳感器的測試，對MEMS壓力傳感器的設計與集成提供了研究基礎，具有重要的意義。