基于LabVIEW的多通道壓力傳感器實時動態檢測系統設計

趙佳龍， 岳 宏， 夏 航， 丁鐘凱， 唐勝武

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱華云泰科傳感技術有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

壓阻式壓力傳感器具有體積小、精度高、靈敏度好、響應快、功耗低、可靠性高、易于小型化、集成化等優點，在航天、航空、生物、醫藥、船舶、石油、化工、鋼鐵等軍民用壓力測量領域應用十分廣泛[1]。通常壓阻式壓力傳感器敏感部分由半導體材料構成電橋結構來感知壓力變化，由于半導體材料的壓阻系數具有較大的溫度系數，所以,壓阻傳感器的輸出不可避免地受到工作環境溫度的影響[2]，從而直接影響到傳感器的實際性能指標[3]。所以，在實際生產中，需要通過技術措施遏制溫度變化影響，改善傳感器的技術指標及性能，即溫度補償技術。進行溫度補償，降低傳感器溫度誤差并對信號進行非線性修正是傳感器從設計到生產全過程的一項重要的工作[4,5]。

通過電橋補償方式在硬件方面直接對傳感器敏感部分進行溫度補償可以直接改進傳感器基礎性能，幾乎不會改變傳感器動態特性[6]，利于控制成本。硬件補償需要對電橋電路提供穩定電源，同時獲得電橋電路如各橋臂電阻、輸出等參數指標，在傳感器生產過程中自動測量各項參數并實現對批次產品準確測量的檢測系統，保證產品質量和生產效率。

本文設計了一種具有總線結構、可以同時對96路壓阻式壓力傳感器進行供電并檢測電橋電阻、輸入電流、輸出電壓等參數的檢測系統，對壓阻式壓力傳感器批量生產過程中實現溫度補償具有重要的作用和意義。

1 總體設計

本文設計主要包括多通道壓力傳感器檢測儀、數字電源、數字繁用表和計算機。系統整體構成框圖如圖1所示。

圖1 系統構成框圖

多通道壓力傳感器巡檢裝置是系統硬件主體，主要實現同時接入多路待測壓力傳感器，設計上可同時接入96路壓力傳感器，通過選擇電路輪詢檢測,為接入的壓力傳感器提供恒流源供電,以及通過現場RS—485總線與計算機連接通信，響應計算機端發出的命令。

計算機為系統控制部分，主要是按照設定的流程或用戶指定命令控制多通道壓力傳感器巡檢裝置，測量前端壓力傳感器的橋臂電阻、工作電流、輸出電壓等參數，并實時讀取數字繁用表輸出，將測量數據記錄到數據文件中用以補償、檢校等。

數字電源用來支持多通道壓力傳感器巡檢裝置中電路工作。

2 檢測原理

2.1 補償建模原理

壓阻式壓力傳感器的利用單晶硅或多晶硅的壓阻效應。當單晶硅或多晶硅材料在受外力作用時，其能帶結構發生變化，導致其電阻率隨之改變的現象為壓阻效應。金屬或半導體材料的電阻率發生變化會引起其電阻的相對變化。而電阻的變化量則不便于直接的測量，所以經常需要將其轉變為便于檢測的電流或電壓的變化。設計中采用到了由4只電阻構成的惠斯頓電橋[7]。

根據壓阻效應，當電阻受到應力作用時，其電阻率將相應發生改變。由于硅材料為多向異性，其壓阻系數與晶向有關，因此壓阻效應通常表示為

(1)

式中σkl為外加作用力引起的應力，k為應力的作用方向，l為應力方向，Δρij為電阻率，i為電場強度方向，j為電流密度方向，πijk為對應于σkl的壓阻系數。

電阻的相對變化

(2)

式中πλ為縱向壓阻系數，πλ′為橫向壓阻系數，σλ為縱向應力，σλ′為橫向應力。πλ和πλ′與晶向有關，σλ和σλ′決定于膜片的受力狀態。

當構成壓力傳感器電橋上的4只電阻阻值相等，受力狀態的絕對值相等時，且在恒流源供電時，此時的電橋輸出

U=ΔRIo

(3)

式中 ΔR為電阻變化量,Io為供電電流。

由此輸出電壓與橋阻變化成正比。實際上壓力輸出靈敏度和電橋電阻隨溫度而變化，所以輸出幅值的溫度變化是壓力靈敏度與電橋電阻隨溫度變化的結果。通過構建電橋電阻補償網絡反饋疊加補償電橋電阻溫度系數，使輸出幅值獲得平衡，實現輸出幅值的溫度補償從而實現對傳感器輸出靈敏度的溫度補償[8]。

2.2 檢測結構設計

本文設計了2×5開關矩陣，開關矩陣與數字繁用表測量端連接，通過計算機控制數字繁用表各測量檔切換，檢測電橋參數。結構如圖2所示。其中A、B接入數字繁用表測量端。I+、I-接傳感器供電，U+、U-接傳感器電橋輸出。

圖2 電橋檢測結構示意

系統用于96路傳感器檢測，設計上通過控制結構，完全控制傳感器各接入點的輸入，通道檢測結構如圖3所示。1、2、3、5各點與電橋供電和輸出端連接，3與4之間接入保護電阻。各控制端以及供電控制端通過巡檢裝置中處理器控制，實現按命令查詢檢測或整體輪詢檢測。

圖3 通道切換檢測結構示意

3 硬件設計

系統硬件設計上主要考慮供電單元、通信單元、電橋檢測單元、通道切換單元幾部分[9]。

供電方面需要保障多通道壓力傳感器巡檢裝置正常工作，同時各傳感器正常工作。電源采用5 V/12 V雙通道開關電源，其中5 V電源用于巡檢裝置供電，12 V電源用于驅動傳感器供電恒流源電路，該部分功率較大，電源額定電流3 A。考慮到通常情況下壓阻式壓力傳感器上電后需要一段時間穩定輸出，所以在待機狀態下，所有通道傳感器均上電保持工作狀態。同時能夠對不同測量需求時進行控制。傳感器供電設計及控制電路如圖4所示。

通信單元主要考慮到多通道壓力傳感器巡檢裝置中各功能模塊間通過RS—485現場總線通信，系統還需要與計算機通過RS—232與RS—485信號轉換連接。

圖4 傳感器供電及控制電路

電橋檢測單元電路包括4個部分。2個MCU模塊、1個驅動模塊和1個矩陣切換模塊。MCU通過RS—485電路與總線連接。MCU1模塊連接驅動模塊，用于控制矩陣開關，MCU2模塊檢測矩陣開關返回的開關信號，用以確定工作時開關狀態。MCU模塊電路如圖5所示。

圖5 MCU電路

通道切換單元電路包括MCU模塊、驅動模塊、選擇控制模塊。選擇控制模塊包括恒流供電模塊和選擇控制模塊。多通道壓力傳感器巡檢裝置共包括12個通道切換單元，每個通道切換單元包括8個獨立選擇控制模塊，來實現共96通道壓力傳感器檢測。通道切換單元是能夠實現多通道查詢檢測和輪詢檢測的硬件基礎。圖6為構成示意圖。

圖6 通道切換單元電路構成

4 軟件設計

4.1 通信協議實現

系統軟件需要完成兩方面內容。在多通道巡檢裝置中，通過對C8051F410編制程序實現數據通信，控制通道選擇以及返回工作狀態的功能。數據通信協議采用Modbus通信協議實現[10，11]。

Modbus采用半雙工的通信方式，數據通信采用Master/Slave(主/從)方式，Master端發出數據請求消息，Slave接收到正確消息后，發送數據到Master端以響應請求；Master端可以直接發消息修改Slave端的數據，實現雙向讀寫[12]。

Modbus規約主要使用的是ASCII,RTU,TCP等，并沒有規定物理層。系統設計應用了RS—485接口方式，遵循RTU協議并在此基礎上規定了具體消息、數據的結構、命令和應答的方式。

數據報文格式定義如下：

主機查詢報文為：

地址功能碼寄存器地址高位寄存器地址低位寄存器數據高位寄存器數據低位校驗0x010x030x000x100x000x010xXX

從機應答報文為：

地址功能碼字節數數據高字節數據低字節校驗0x010x030x020xXX0xXX0xXX

主機發送指令，訪問從站地址為1，使用功能碼03(讀保持寄存器)，起始地址高8位、低8位，表示想讀取的模擬量的起始地址。寄存器數量高8位、低8位，表示從起始地址開始讀多少個模擬量。錯誤校驗為CRC校驗。

從站應答時，設備地址和命令號與主機查詢相同。返回的字節數，表示數據的字節個數。數據高低字節代表返回的1個數據的值。錯誤校驗為CRC校驗。

具體執行的程序流程如圖7(a)所示。

圖7 軟件流程框圖

4.2 主機控制系統

計算機端軟件是系統控制、數據采集、數據記錄和運算的主體。軟件通過LabVIEW完成設計[13～16]。通過配置參數信息，確定所需測量的各項參數；通過發送命令和接收狀態來控制系統工作；保存測量參數用于進一步補償。軟件工作流程如圖7(b)所示，軟件工作界面如圖8所示。

圖8 計算機軟件界面

5 測試試驗

完成系統各模塊并調試組裝后，進行了系統測試，測試了系統輪詢全部96個通道，完成檢測及數據存儲的工作時間為98 min，大大提高工作效率。測試了壓阻式壓力傳感器電橋輸入電流，橋臂電阻電橋輸出電壓，表1為部分檢測結果，實測表明，系統能夠按照設計目標為待測傳感器提供穩定、準確的恒流供電，準確測量各待測參數。

表1 部分實驗數據

6 結束語

本文通過分析壓阻式壓力傳感器工作原理和溫度補償方法及過程，建立了自動補償參數采集模型，設計了一種多通道壓阻式壓力傳感器檢測系統。該系統能夠自動完成壓阻式壓力傳感器溫度補償過程中電橋參數自動檢測，同時為傳感器提供精度高、穩定性好的電流源，保證檢測精度，極大簡化檢測過程，提高檢測效率，為傳感器溫度補償提供高效可靠的檢測方法。同時該系統通用性較強，具有廣泛的應用領域和前景。