摘 要：介紹了描述傳感器靜態特性的線性度、重復性、遲滯性和靜態誤差的定義及計算方法，給出采用計算機加數據采集板卡在Windows系統環境下用VC++編程構成虛擬儀器，實現了對傳感器靜態特性的自動測試、計算、顯示、記錄及打印輸出。最后，介紹了對傳感器動態特性進行分析的方法。
關鍵詞：傳感器；靜態特性；線性度；遲滯性；重復性；虛擬儀器；靜態誤差
引 言
傳感器的工作特性通過其靜、動態特性直接反映出來，靜態特性是表示傳感器在被測輸入量的各個值處于穩定狀態時的輸入—輸出關系，更能突出反映傳感器的各項指標，傳感器靜態特性主要指線性度、遲后性、重復性和靜態誤差。以往對傳感器靜態特性的測試、分析需要多種儀器來共同完成，且輸入、輸出信號的測量、記錄、特性指標的計算都需人工完成，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據處理能力強，效率高，靈活性及一致性好，顯示內容豐富，打印輸出方便，具有極高性價比，已被廣泛地應用。
傳感器靜態特性的測量及計算
由計算機系統構成虛擬測試儀器，完成對傳感器靜態特性的分析，實現了快速、準確、靈活、可靠的目的。
對于一個傳感器特性循環試驗，在取5個校準點時，測量點的分布見表1。
表1 測量點分布表
測量值個數N與循環次數S和校準點數量M之間的關系為
在實際測試中為保證測量可靠性，至少應重復實驗3個循環，取5個校準點，共25個測量值。一般采用重復實驗5個循環，取7個校準點，則共有61個測量值。由這些測量值來計算傳感器線性度、遲滯性、重復性和靜態誤差。
基于PC的虛擬儀器
虛擬儀器的硬件
由分析可知，若想測量傳感器的特性指標，則必需在各校準點給傳感器輸入校準信號，同時測量傳感器的標準輸出信號值，傳感器的標準輸出信號一般為4～20mA 或1～5V，而電流信號經采樣電阻可轉變為電壓信號。傳統的測量方法是用萬用表測量并記錄每次傳感器的輸出信號值，如今采用PC機加A/D擴展板卡來測量和記錄傳感器的輸出信號，則可大大提高測量精度和測量速度，而且PC機具有極強的運算能力，可方便、靈活地計算和分析傳感器的各項特性指標，具有極高的性價比。
目前，PC機都具有3個以上PCI擴展插槽，而且基于PCI總線的工業級模擬信號采集板卡種類繁多，大多可采集-10～+10V 范圍內信號，而且采樣精度從12位到16位、采樣速度從每秒幾萬次到上百萬次不等，作為工業產品其工作的穩定性和可靠性已得到共識，現已在工業監控領域中得到了廣泛應用。
針對傳感器測試精度高的特點，一般要求測試儀器精度應達到5×10-4。虛擬儀器采用普通PC計算機，擴展了臺灣研華基于PCI總線的PCI-816模擬量采集板卡，板卡主要功能有：16路模擬信號差分輸入、分辨率為16位、最大采樣速度為100kHz/s、信號采樣范圍寬且可軟件編程設定、支持軟硬件觸發、可編程選擇中斷等級和DMA 傳送通道，另外，還具有16路數字量輸入、輸出。
虛擬儀器的軟件
虛擬儀器的硬件相對軟件較簡單，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表等，則完全由軟件設計水平來決定。軟件采用VC++6.0在Windows環境下編制，程序功能結構框圖如圖1所示，可在WindowsNT/98/2000/XP 操作系統下運行，具有畫面顯示直觀，操作方便、靈活等特點。
圖1程序功能結構圖
虛擬儀器軟件運行后，可通過下拉式菜單或工具欄按鈕來完成數據采集或輸入、修改、計算、顯示畫面切換和結果打印輸出等操作。為方便輸入、修改各種數據，采用如圖2所示的集成度較高的數據輸入、修改對話窗口，其中傳感器名稱、型號和循環試驗次數可直接輸入，而傳感器各校準點設定值和試驗中所測量數值則可按設定在新增和修改間變換輸入。例如需連續輸入各校準點的設定值，則可通過在操作方法組框中選中[校準輸入或測試數據]復選框(對于測量數據的操作則取消選中)，同時選中[連續操作]復選框，如圖2中所示，即可連續輸入。另外可通過選中4個單選銨鈕[設置] 、[插入]、[追加]和[刪除]中的不同銨鈕來設定對當前下標(行程編號) 數據的不同操作。這樣可在一個對話窗口內完成整個數據的采集、修改，大大提高了對數據的操作效率。每步操作的同時，在程序窗口可顯示所有參數的當前數據。
圖2 數據輸入、修改對話窗口
校準點數量和所需測量值數量由程序按輸入校準點數和循環次數自動計算。程序自動檢驗輸入校準點數量(M)與測量值數量(N)是否滿足式(1)，如不滿足則計算菜單項和工具欄中計算按鈕無效，直至兩者滿足式(1)關系。在檢查確認數據正確性后即可計算傳感器各項靜態指標。
測試數據的顯示和打印
對于輸入或測量的數據以及計算結果，程序可在不同的彈出窗口內以表格、曲線、直方圖等多種形式顯示出來，提供了以獨立文件和分類數據庫形式存儲，預存了不同打印輸出報表格式。可通過選取不同的菜單項或按鈕來選擇不同顯示和打印輸出方式。
打印輸出報表提供了二次設計功能，即可通過軟件中的繪圖和字符串編輯功能，自行設計打印輸出報表格式。
應用實例
虛擬儀器已在實際傳感器測試中應用。表2是對1個壓力傳感器(量程：1MPa)，采用5個校準點，重復循環試驗3次所測量計算的部分數據(置信系數α=3) 。
表2 壓力傳感器測量計算的部分數據
測試數據的計算結果見表3
表3 壓力線傳器數據測試計算結果
結束語
文中雖然未對用此虛擬儀器來測量、分析傳感器的動態特性作介紹，但可參照對靜態特性的分析方法來分析傳感器的動態特性，利用虛擬儀器具有快速A/D轉換的功能，在傳感器輸入量發生階躍或連續變化的同時，對輸出量作連續的A/D 采樣，通過對采樣結果的分析，即可得出傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。
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