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作者：秦莉娜  王朝志  鄧兆敏 （北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司，北京  100083）

摘要： 本文介紹了一種基于柔性測(cè)試技術(shù)的磁感應(yīng)式位置傳感器標(biāo)定與檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)以LabVIEW和TestStand為開發(fā)平臺(tái)，采用高性能的硬件設(shè)備，在溫度控制、電氣控制、運(yùn)動(dòng)控制等方面均達(dá)到了高精度的測(cè)試要求，可滿足多種位置傳感器的標(biāo)定和檢測(cè)要求，具備良好的測(cè)試性能和較高的可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；TestStand；位置傳感器；柔性測(cè)試技術(shù)

Abstract：A Calibration and Test Platform for Position Sensor based on Flexible Testing Technology is introduced in this paper. The system is developed based on LabVIEW and TestStand and meets high-precision requirements in temperature control, electrical control and mechanical control with high-performance hardware. The system is adapted to various smart position sensors and has good test performance and high-expansibility.
Keywords: LabVIEW；TestStand；Position Sensor；Flexible Testing Technology

0 引言

“柔性測(cè)試”技術(shù)是以測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的整體功能及性能為關(guān)注對(duì)象，對(duì)滿足測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)需求的方法和手段進(jìn)行研究及開發(fā)的技術(shù)，采用高性能的模塊化硬件，配合靈活高效的測(cè)試軟件來(lái)完成各種測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化控制的應(yīng)用。它整合了虛擬儀器、測(cè)試測(cè)量、機(jī)電一體化、網(wǎng)絡(luò)通訊及軟件等多種技術(shù)，以測(cè)試系統(tǒng)的精確性、準(zhǔn)確性、可靠性、適應(yīng)性、靈活性和拓展性為研究目標(biāo)；既面向應(yīng)用，又專注于測(cè)試行業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的快速發(fā)展。
本系統(tǒng)是一套基于柔性測(cè)試技術(shù)理念開發(fā)的平臺(tái)式位置傳感器標(biāo)定與檢測(cè)系統(tǒng)，能夠完成對(duì)多種位置傳感器進(jìn)行標(biāo)定與檢測(cè)。靈活的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言與高效的TestStand測(cè)試流程管理軟件相結(jié)合，集成模塊化硬件平臺(tái)以及多種通訊方式，使系統(tǒng)可以對(duì)直線位置傳感器、角度位置傳感器以及旋轉(zhuǎn)位置傳感器進(jìn)行標(biāo)定和檢測(cè)，既能滿足高精度的測(cè)試要求，又大大提高了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性，充分體現(xiàn)了柔性測(cè)試技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)原理

位置傳感器就類型而言分為直線位置傳感器、角度位置傳感器和旋轉(zhuǎn)位置傳感器，每種傳感器又分為不同的規(guī)格，比如直線位置傳感器就包含多種長(zhǎng)度和靈敏度規(guī)格。
位置傳感器是一種磁敏感傳感器，針對(duì)不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)會(huì)有不同的信號(hào)輸出，本系統(tǒng)采用特定的磁極在傳感器周圍移動(dòng)產(chǎn)生需要的磁場(chǎng)，來(lái)建立標(biāo)定、校準(zhǔn)和測(cè)試該類傳感器所需的磁場(chǎng)環(huán)境。
經(jīng)過(guò)組裝的位置傳感器輸出的信號(hào)是不準(zhǔn)確的，在使用前必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定、校準(zhǔn)和檢測(cè)，只有標(biāo)定后通過(guò)校準(zhǔn)和測(cè)試的傳感器才能在實(shí)際中使用。標(biāo)定和測(cè)試過(guò)程都需要在高精度的磁場(chǎng)變換環(huán)境中進(jìn)行，系統(tǒng)采用直線與旋轉(zhuǎn)兩個(gè)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直線型、旋轉(zhuǎn)型位置傳感器的標(biāo)定和檢測(cè)。同時(shí)本系統(tǒng)集成了完善的溫度控制功能，可以對(duì)傳感器的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行恒溫控制，并對(duì)需要的傳感器進(jìn)行必要的恒溫環(huán)境下校準(zhǔn)與檢測(cè)，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高對(duì)溫度影響敏感類傳感器輸出的精度。本系統(tǒng)可以建立0℃～125℃范圍內(nèi)任意溫度點(diǎn)的恒溫環(huán)境控制，并且可以達(dá)到較高的精度。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

在完整功能測(cè)試的模式下，系統(tǒng)會(huì)將測(cè)試箱內(nèi)的傳感器及測(cè)試夾具穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定的溫度，同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)控制磁極沿著傳感器磁感應(yīng)方向做步進(jìn)式移動(dòng)，同時(shí)采集傳感器的反饋信號(hào)作為原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)特定的算法計(jì)算出傳感器的標(biāo)定參數(shù)，然后根據(jù)不同的傳感器通信協(xié)議將參數(shù)寫入傳感器的芯片，完成對(duì)傳感器的標(biāo)定。如果傳感器標(biāo)定需要考慮溫度的影響，可以在低溫和高溫兩個(gè)溫度下進(jìn)行相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)采集和標(biāo)定處理，來(lái)進(jìn)行溫度的補(bǔ)償校準(zhǔn)，同時(shí)系統(tǒng)還可以對(duì)經(jīng)過(guò)標(biāo)定和校準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行全功能的檢測(cè)，檢查傳感器是否符合生產(chǎn)要求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。傳感器的標(biāo)定和檢測(cè)流程都需要在高精度的位置控制環(huán)境下完成，本系統(tǒng)最高控制精度可以達(dá)到1μm。

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)選用了NI公司高精度、高速度的數(shù)字萬(wàn)用表卡完成數(shù)據(jù)采集。同時(shí)選用了NI公司數(shù)字I/O卡來(lái)完成對(duì)傳感器、開關(guān)、按鈕等狀態(tài)信息的查詢和繼電器、電子鎖等元器件的控制，并且將設(shè)備反饋信息及時(shí)反饋到上位機(jī)進(jìn)行處理。
針對(duì)被測(cè)傳感器的多樣性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“柔性”的硬件平臺(tái)，即為不同種類的傳感器配置了不同規(guī)格的測(cè)試夾具或測(cè)試臺(tái)，對(duì)于直線位置傳感器，分別配置了75mm、150mm和225mm等多種規(guī)格的夾具，更換傳感器時(shí)，只需要更換對(duì)應(yīng)的夾具即可，對(duì)于角度位置傳感器和旋轉(zhuǎn)位置傳感器，只需要更換測(cè)試臺(tái)即可，靈活的硬件配置，使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。
系統(tǒng)中使用的主要硬件及其功能如下表描述：
表一 系統(tǒng)硬件組成及其功能

系統(tǒng)采用快速加熱器對(duì)位置傳感器及其測(cè)試環(huán)境進(jìn)行加熱�？焖偌訜崞魇且环N智能高低溫吹風(fēng)機(jī)，可以根據(jù)目標(biāo)溫度和當(dāng)前溫度的差異自動(dòng)輸出不同溫度和不同流量的氣體對(duì)物體進(jìn)行加熱或者制冷。
為了實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器的溫度，在傳感器旁設(shè)置了熱電偶，待傳感器穩(wěn)定在目標(biāo)溫度以后，再控制滑臺(tái)帶動(dòng)磁極在傳感器上方移動(dòng)。系統(tǒng)選用高精度的直線滑臺(tái)來(lái)完成磁極的移動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送控制信號(hào)到滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)器再控制滑臺(tái)帶動(dòng)磁極移動(dòng)，精度可以達(dá)到1μm，滿足測(cè)試精度要求。
為了減少加熱時(shí)的熱量損失，保證傳感器處于穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，同時(shí)也為了保證加熱和磁極移動(dòng)時(shí)操作人員的安全，該系統(tǒng)采用溫箱結(jié)構(gòu)，即在操作臺(tái)上設(shè)置一個(gè)盒式溫箱，傳感器的加熱過(guò)程以及磁極的移動(dòng)過(guò)程在溫箱里完成。為了保證滑臺(tái)不受溫度影響，在測(cè)試箱內(nèi)部，設(shè)置了Z型連接臂，將磁極固定在連接臂頂部，將連接臂底部伸出箱體外部與滑臺(tái)相連，這種設(shè)計(jì)即保證了磁極移動(dòng)的準(zhǔn)確位置，又保證滑臺(tái)不受溫度變化的影響。
在測(cè)試箱體外側(cè)還設(shè)置了電子鎖，按下測(cè)試按鈕后電子鎖會(huì)自動(dòng)將測(cè)試箱鎖住，直到測(cè)試結(jié)束，電子鎖自動(dòng)打開，保證了在測(cè)試過(guò)程中操作人員的安全以及測(cè)試環(huán)境溫度的穩(wěn)定。
在系統(tǒng)安全方面，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了看門狗，操作界面上的監(jiān)控指示燈會(huì)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)操作狀態(tài)，軟件每隔2s向硬件發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)，如果在30s內(nèi)沒(méi)有任何操作，系統(tǒng)將自動(dòng)切斷操作臺(tái)的電源，起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。
系統(tǒng)還設(shè)置了人性化的急停按鈕，選用高性能的安全繼電器，在發(fā)生緊急情況時(shí)按下急停按鈕可以控制安全繼電器切斷工作臺(tái)電源。
除此以外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了RS-232、CAN總線、AS-I、Device-Net、ProfiBus等五種通訊方式，可以滿足不同通訊協(xié)議的傳感器的測(cè)試需求。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)試流程

系統(tǒng)測(cè)試軟件包括兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本操作系統(tǒng)，我們選用目前應(yīng)用最廣泛的Windows操作系統(tǒng)；另一部分是測(cè)試軟件的開發(fā)平臺(tái)，我們選用NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW結(jié)合測(cè)試流程執(zhí)行管理軟件TestStand，開發(fā)出一套多功能的平臺(tái)式測(cè)試系統(tǒng)。
本系統(tǒng)使用LabVIEW搭建人機(jī)交互界面，使用TestStand搭建測(cè)試流程執(zhí)行序列，針對(duì)不同種類的傳感器，可以在TestStand中配置不同的測(cè)試流程，每個(gè)測(cè)試流程都有對(duì)應(yīng)的Sequence文件，通過(guò)在LabVIEW中調(diào)用TestStand運(yùn)行引擎，加載Sequence來(lái)完成測(cè)試功能，更換傳感器類型時(shí)，只需要加載不同的Sequence文件即可以完成對(duì)不同類型傳感器的測(cè)試，真正實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)式測(cè)試系統(tǒng)。
測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 位置傳感器標(biāo)定與測(cè)試流程

軟件啟動(dòng)后，首先對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，確保設(shè)備處于正常狀態(tài)。初始化之后，操作員要將傳感器放置到測(cè)試夾具上，在傳感器底部設(shè)置了光纖傳感器用來(lái)檢測(cè)被測(cè)件有無(wú)。按下開始測(cè)試按鈕后，快速加熱器首先對(duì)傳感器及其所處的環(huán)境進(jìn)行加熱，待傳感器溫度穩(wěn)定后，開始對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，只有標(biāo)定成功的傳感器才能進(jìn)行測(cè)試，如果標(biāo)定不成功，則測(cè)試失敗，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)和失敗原因，完成本次測(cè)試。標(biāo)定成功后，繼續(xù)對(duì)被測(cè)件進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試，讀取被測(cè)件的測(cè)試結(jié)果，將測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果測(cè)試值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，則判定該產(chǎn)品為合格品，否則為不合格品，最后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄，輸出報(bào)表，并且將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2功能模塊

系統(tǒng)軟件在功能實(shí)現(xiàn)上采用模塊化的實(shí)現(xiàn)方式，即特定模塊實(shí)現(xiàn)特定功能，主要包括訂單管理模塊、數(shù)據(jù)查看模塊、調(diào)試工具模塊、參數(shù)配置模塊、操作窗口切換模塊、用戶管理模塊以及系統(tǒng)幫助模塊，每個(gè)模塊又包含不同功能的子模塊。系統(tǒng)軟件功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件功能模塊

訂單管理模塊主要完成對(duì)被測(cè)件進(jìn)行管理，包括新開工單、查看訂單、關(guān)閉訂單三種操作，便于對(duì)被測(cè)件的信息進(jìn)行跟蹤管理。
數(shù)據(jù)查看模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果的查看，包括Excel數(shù)據(jù)查看、日志數(shù)據(jù)查看和界面語(yǔ)言選擇，Excel數(shù)據(jù)主要包括被測(cè)件的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果，日志數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)的操作信息，界面語(yǔ)言選擇可以切換不同的操作語(yǔ)言，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置了英文和中文兩種操作語(yǔ)言，除此以外，還可以根據(jù)用戶的需要添加多種操作語(yǔ)言。
調(diào)試工具模塊主要完成系統(tǒng)硬件的單步調(diào)試工作，包括電源調(diào)試、數(shù)字I/O調(diào)試、快速加熱器調(diào)試、傳感器通訊和電機(jī)調(diào)試，便于檢測(cè)系統(tǒng)硬件故障。
參數(shù)配置模塊主要完成系統(tǒng)的配置信息，包括傳感器參數(shù)配置、系統(tǒng)定期任務(wù)配置和計(jì)數(shù)器配置。
操作窗口模塊用于切換不同的操作窗口，系統(tǒng)默認(rèn)是生產(chǎn)模式，生產(chǎn)模式下只能進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試，工程師模式下可以進(jìn)行單步測(cè)試，跟蹤每一步測(cè)試過(guò)程。
用戶管理模塊主要完成用戶登陸和用戶管理。該系統(tǒng)配置了多個(gè)級(jí)別用戶，不同級(jí)別的用戶擁有不同的操作權(quán)限，可以確保系統(tǒng)信息的安全。
系統(tǒng)幫助模塊主要包含系統(tǒng)開發(fā)人員的信息和系統(tǒng)的相關(guān)幫助文件。

軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

4結(jié)束語(yǔ)

智能位置傳感器標(biāo)定與檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)是我公司在原有其它傳感器測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制的。該系統(tǒng)以柔性測(cè)試技術(shù)為設(shè)計(jì)思想，采用LabVIEW結(jié)合TestStand作為軟件平臺(tái)，配合高性能的模塊化硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種位置傳感器進(jìn)行標(biāo)定和檢測(cè)的過(guò)程，是一套名副其實(shí)的平臺(tái)式測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在溫度控制、電氣控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)控制方面均達(dá)到了高精度的測(cè)試要求，滿足測(cè)試結(jié)果的精確性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)通過(guò)GR&R測(cè)試，是一套高精度的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某知名傳感器生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)線上。

參考文獻(xiàn)：
【1】王朝志等.基于虛擬儀器技術(shù)的汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的研制.