引 言
傳感器的工作特性通過其靜,、動(dòng)態(tài)特性直接反映出來(lái)，靜態(tài)特性是表示傳感器在被測(cè)輸入量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入—輸出關(guān)系,，更能突出反映傳感器的各項(xiàng)指標(biāo),，傳感器靜態(tài)特性主要指線性度、遲后性,、重復(fù)性和靜態(tài)誤差,。以往對(duì)傳感器靜態(tài)特性的測(cè)試、分析需要多種儀器來(lái)共同完成,，且輸入,、輸出信號(hào)的測(cè)量、記錄,、特性指標(biāo)的計(jì)算都需人工完成,，工作量大、效率低,、可靠性差,。基于虛擬儀器的傳感器特性分析數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),，效率高,，靈活性及一致性好，顯示內(nèi)容豐富,，打印輸出方便,，具有極高性價(jià)比，已被廣泛地應(yīng)用,。
傳感器靜態(tài)特性的測(cè)量及計(jì)算
由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成虛擬測(cè)試儀器,，完成對(duì)傳感器靜態(tài)特性的分析，實(shí)現(xiàn)了快速,、準(zhǔn)確,、靈活、可靠的目的
對(duì)于一個(gè)傳感器特性循環(huán)試驗(yàn),，在取5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí),，測(cè)量點(diǎn)的分布見表1。
在實(shí)際測(cè)試中為保證測(cè)量可靠性,，至少應(yīng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)3個(gè)循環(huán),，取5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，共25個(gè)測(cè)量值,。一般采用重復(fù)實(shí)驗(yàn)5個(gè)循環(huán),，取7個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),，則共有61個(gè)測(cè)量值。由這些測(cè)量值來(lái)計(jì)算傳感器線性度,、遲滯性,、重復(fù)性和靜態(tài)誤差。
基于PC的虛擬儀器
虛擬儀器的硬件
表1 測(cè)量點(diǎn)分布表
由分析可知,，若想測(cè)量傳感器的特性指標(biāo),，則必需在各校準(zhǔn)點(diǎn)給傳感器輸入校準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)測(cè)量傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)值,，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)一般為4～20mA 或1～5V,，而電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是用萬(wàn)用表測(cè)量并記錄每次傳感器的輸出信號(hào)值,，如今采用PC機(jī)加A/D擴(kuò)展板卡來(lái)測(cè)量和記錄傳感器的輸出信號(hào),，則可大大提高測(cè)量精度和測(cè)量速度，而且PC機(jī)具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力,，可方便,、靈活地計(jì)算和分析傳感器的各項(xiàng)特性指標(biāo)，具有極高的性價(jià)比,。
目前,，PC機(jī)都具有3個(gè)以上PCI擴(kuò)展插槽，而且基于PCI總線的工業(yè)級(jí)模擬信號(hào)采集板卡種類繁多,，大多可采集-10～+10V 范圍內(nèi)信號(hào),，而且采樣精度從12位到16位、采樣速度從每秒幾萬(wàn)次到上百萬(wàn)次不等,，作為工業(yè)產(chǎn)品其工作的穩(wěn)定性和可靠性已得到共識(shí),，現(xiàn)已在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
針對(duì)傳感器測(cè)試精度高的特點(diǎn),，一般要求測(cè)試儀器精度應(yīng)達(dá)到5×10-4,。虛擬儀器采用普通PC計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展了臺(tái)灣研華基于PCI總線的PCI-816模擬量采集板卡,，板卡主要功能有：16路模擬信號(hào)差分輸入,、分辨率為16位、最大采樣速度為100kHz/s,、信號(hào)采樣范圍寬且可軟件編程設(shè)定,、支持軟硬件觸發(fā)、可編程選擇中斷等級(jí)和DMA 傳送通道,，另外,，還具有16路數(shù)字量輸入、輸出。
虛擬儀器的軟件
虛擬儀器的硬件相對(duì)軟件較簡(jiǎn)單,，而儀器的操作方便與否、功能是否齊全,、顯示畫面是否豐富,、是否可打印輸出各種分析報(bào)表等，則完全由軟件設(shè)計(jì)水平來(lái)決定,。軟件采用VC++6.0在Windows環(huán)境下編制,，程序功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，可在WindowsNT/98/2000/XP 操作系統(tǒng)下運(yùn)行,，具有畫面顯示直觀,，操作方便、靈活等特點(diǎn),。
圖1程序功能結(jié)構(gòu)圖
虛擬儀器軟件運(yùn)行后,，可通過下拉式菜單或工具欄按鈕來(lái)完成數(shù)據(jù)采集或輸入、修改,、計(jì)算,、顯示畫面切換和結(jié)果打印輸出等操作。為方便輸入,、修改各種數(shù)據(jù),，采用如圖2所示的集成度較高的數(shù)據(jù)輸入、修改對(duì)話窗口,，其中傳感器名稱,、型號(hào)和循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)可直接輸入，而傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定值和試驗(yàn)中所測(cè)量數(shù)值則可按設(shè)定在新增和修改間變換輸入,。例如需連續(xù)輸入各校準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定值,，則可通過在操作方法組框中選中[校準(zhǔn)輸入或測(cè)試數(shù)據(jù)]復(fù)選框(對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的操作則取消選中)，同時(shí)選中[連續(xù)操作]復(fù)選框,，如圖2中所示,，即可連續(xù)輸入。另外可通過選中4個(gè)單選銨鈕[設(shè)置] ,、[插入],、[追加]和[刪除]中的不同銨鈕來(lái)設(shè)定對(duì)當(dāng)前下標(biāo)(行程編號(hào)) 數(shù)據(jù)的不同操作。這樣可在一個(gè)對(duì)話窗口內(nèi)完成整個(gè)數(shù)據(jù)的采集,、修改,，大大提高了對(duì)數(shù)據(jù)的操作效率。每步操作的同時(shí),，在程序窗口可顯示所有參數(shù)的當(dāng)前數(shù)據(jù),。
圖2 數(shù)據(jù)輸入、修改對(duì)話窗口
校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和所需測(cè)量值數(shù)量由程序按輸入校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)和循環(huán)次數(shù)自動(dòng)計(jì)算。程序自動(dòng)檢驗(yàn)輸入校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量(M)與測(cè)量值數(shù)量(N)是否滿足式(1),，如不滿足則計(jì)算菜單項(xiàng)和工具欄中計(jì)算按鈕無(wú)效,，直至兩者滿足式(1)關(guān)系。在檢查確認(rèn)數(shù)據(jù)正確性后即可計(jì)算傳感器各項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo),。
測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示和打印
對(duì)于輸入或測(cè)量的數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果,，程序可在不同的彈出窗口內(nèi)以表格、曲線,、直方圖等多種形式顯示出來(lái),，提供了以獨(dú)立文件和分類數(shù)據(jù)庫(kù)形式存儲(chǔ)，預(yù)存了不同打印輸出報(bào)表格式,?？赏ㄟ^選取不同的菜單項(xiàng)或按鈕來(lái)選擇不同顯示和打印輸出方式。
打印輸出報(bào)表提供了二次設(shè)計(jì)功能,，即可通過軟件中的繪圖和字符串編輯功能,，自行設(shè)計(jì)打印輸出報(bào)表格式。
應(yīng)用實(shí)例
虛擬儀器已在實(shí)際傳感器測(cè)試中應(yīng)用,。表2是對(duì)1個(gè)壓力傳感器(量程：1MPa),，采用5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)循環(huán)試驗(yàn)3次所測(cè)量計(jì)算的部分?jǐn)?shù)據(jù)(置信系數(shù)α=3) ,。
表2 壓力傳感器測(cè)量計(jì)算的部分?jǐn)?shù)據(jù)
結(jié)束語(yǔ)
文中雖然未對(duì)用此虛擬儀器來(lái)測(cè)量,、分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性作介紹，但可參照對(duì)靜態(tài)特性的分析方法來(lái)分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性,，利用虛擬儀器具有快速A/D轉(zhuǎn)換的功能,，在傳感器輸入量發(fā)生階躍或連續(xù)變化的同時(shí)，對(duì)輸出量作連續(xù)的A/D 采樣,，通過對(duì)采樣結(jié)果的分析,，即可得出傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。