作者：秦莉娜 王朝志 鄧兆敏 （北京中科泛華測控技術有限公司，北京 100083）
摘要： 本文介紹了一種基于柔性測試技術的磁感應式位置傳感器標定與檢測系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)以LabVIEW和TestStand為開發(fā)平臺，采用高性能的硬件設備，在溫度控制、電氣控制、運動控制等方面均達到了高精度的測試要求，可滿足多種位置傳感器的標定和檢測要求，具備良好的測試性能和較高的可擴展性。
關鍵詞：LabVIEW；TestStand；位置傳感器；柔性測試技術
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
“柔性測試”技術是以測試測量系統(tǒng)的整體功能及性能為關注對象，對滿足測試測量系統(tǒng)需求的方法和手段進行研究及開發(fā)的技術，采用高性能的模塊化硬件，配合靈活高效的測試軟件來完成各種測試測量和自動化控制的應用。它整合了虛擬儀器、測試測量、機電一體化、網絡通訊及軟件等多種技術，以測試系統(tǒng)的精確性、準確性、可靠性、適應性、靈活性和拓展性為研究目標；既面向應用，又專注于測試行業(yè)的發(fā)展，推動著現代測試技術在實際應用中的快速發(fā)展。
本系統(tǒng)是一套基于柔性測試技術理念開發(fā)的平臺式位置傳感器標定與檢測系統(tǒng)，能夠完成對多種位置傳感器進行標定與檢測。靈活的LabVIEW圖形化編程語言與高效的TestStand測試流程管理軟件相結合，集成模塊化硬件平臺以及多種通訊方式，使系統(tǒng)可以對直線位置傳感器、角度位置傳感器以及旋轉位置傳感器進行標定和檢測，既能滿足高精度的測試要求，又大大提高了系統(tǒng)的靈活性和擴展性，充分體現了柔性測試技術的優(yōu)勢。
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度和靈敏度規(guī)格。
位置傳感器是一種磁敏感傳感器，針對不同強度的磁場會有不同的信號輸出，本系統(tǒng)采用特定的磁極在傳感器周圍移動產生需要的磁場，來建立標定、校準和測試該類傳感器所需的磁場環(huán)境。
經過組裝的位置傳感器輸出的信號是不準確的，在使用前必須經過標定、校準和檢測，只有標定后通過校準和測試的傳感器才能在實際中使用。標定和測試過程都需要在高精度的磁場變換環(huán)境中進行，系統(tǒng)采用直線與旋轉兩個工作臺實現對直線型、旋轉型位置傳感器的標定和檢測。同時本系統(tǒng)集成了完善的溫度控制功能，可以對傳感器的測試環(huán)境進行恒溫控制，并對需要的傳感器進行必要的恒溫環(huán)境下校準與檢測，對傳感器的輸出信號進行溫度補償，以提高對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℃范圍內任意溫度點的恒溫環(huán)境控制，并且可以達到較高的精度。
圖1 系統(tǒng)實現原理
在完整功能測試的模式下，系統(tǒng)會將測試箱內的傳感器及測試夾具穩(wěn)定在一個設定的溫度，同時運動控制系統(tǒng)會控制磁極沿著傳感器磁感應方向做步進式移動，同時采集傳感器的反饋信號作為原始數據，并根據特定的算法計算出傳感器的標定參數，然后根據不同的傳感器通信協議將參數寫入傳感器的芯片，完成對傳感器的標定。如果傳感器標定需要考慮溫度的影響，可以在低溫和高溫兩個溫度下進行相應的原始數據采集和標定處理，來進行溫度的補償校準，同時系統(tǒng)還可以對經過標定和校準的傳感器進行全功能的檢測，檢查傳感器是否符合生產要求，系統(tǒng)實現原理如圖1所示。傳感器的標定和檢測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到1μm。
2硬件設計
系統(tǒng)在設計時選用了NI公司高精度、高速度的數字萬用表卡完成數據采集。同時選用了NI公司數字I/O卡來完成對傳感器、開關、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，并且將設備反饋信息及時反饋到上位機進行處理。
針對被測傳感器的多樣性，系統(tǒng)設計了“柔性”的硬件平臺，即為不同種類的傳感器配置了不同規(guī)格的測試夾具或測試臺，對于直線位置傳感器，分別配置了75mm、150mm和225mm等多種規(guī)格的夾具，更換傳感器時，只需要更換對應的夾具即可，對于角度位置傳感器和旋轉位置傳感器，只需要更換測試臺即可，靈活的硬件配置，使系統(tǒng)具有良好的適應性和擴展性。
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
硬件 |
功能描述 |
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數字I/O卡 |
主要用于系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和開關動作控制。 |
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萬用表卡 |
用來采集傳感器的輸出信號。 |
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運動控制卡 |
輸出運動控制信號，控制直線滑臺移動，從而控制磁極在傳感器上方移動。 |
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可編程電源 |
為傳感器提供高精度的電源。 |
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多路串口卡 |
集成多通道串口線，作為工控機與ThermStream的通訊接口。 |
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工控機 |
系統(tǒng)控制中心以及人機交互平臺。 |
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快速加熱器 |
高低溫吹風機，為傳感器提供精確的溫度環(huán)境。 |
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直線滑臺 |
帶動磁極移動。 |
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測試臺 |
操作員進行測試的工作臺，測試臺上部是測試箱體以及滑臺，測試臺下部是控制電路。 |
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機柜 |
放置測試儀器。 |
系統(tǒng)采用快速加熱器對位置傳感器及其測試環(huán)境進行加熱�？焖偌訜崞魇且环N智能高低溫吹風機，可以根據目標溫度和當前溫度的差異自動輸出不同溫度和不同流量的氣體對物體進行加熱或者制冷。
為了實時檢測傳感器的溫度，在傳感器旁設置了熱電偶，待傳感器穩(wěn)定在目標溫度以后，再控制滑臺帶動磁極在傳感器上方移動。系統(tǒng)選用高精度的直線滑臺來完成磁極的移動，由運動控制卡發(fā)送控制信號到滑臺驅動器，滑臺驅動器再控制滑臺帶動磁極移動，精度可以達到1μm，滿足測試精度要求。
為了減少加熱時的熱量損失，保證傳感器處于穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，同時也為了保證加熱和磁極移動時操作人員的安全，該系統(tǒng)采用溫箱結構，即在操作臺上設置一個盒式溫箱，傳感器的加熱過程以及磁極的移動過程在溫箱里完成。為了保證滑臺不受溫度影響，在測試箱內部，設置了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相連，這種設計即保證了磁極移動的準確位置，又保證滑臺不受溫度變化的影響。
在測試箱體外側還設置了電子鎖，按下測試按鈕后電子鎖會自動將測試箱鎖住，直到測試結束，電子鎖自動打開，保證了在測試過程中操作人員的安全以及測試環(huán)境溫度的穩(wěn)定。
在系統(tǒng)安全方面，本系統(tǒng)還設計了看門狗，操作界面上的監(jiān)控指示燈會實時顯示系統(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，如果在30s內沒有任何操作，系統(tǒng)將自動切斷操作臺的電源，起到保護系統(tǒng)的作用。
系統(tǒng)還設置了人性化的急停按鈕，選用高性能的安全繼電器，在發(fā)生緊急情況時按下急停按鈕可以控制安全繼電器切斷工作臺電源。
除此以外，系統(tǒng)還設計了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議的傳感器的測試需求。
3軟件設計
3.1測試流程
系統(tǒng)測試軟件包括兩部分內容，一部分是系統(tǒng)正常運行的基本操作系統(tǒng)，我們選用目前應用最廣泛的Windows操作系統(tǒng)；另一部分是測試軟件的開發(fā)平臺，我們選用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW結合測試流程執(zhí)行管理軟件TestStand，開發(fā)出一套多功能的平臺式測試系統(tǒng)。
本系統(tǒng)使用LabVIEW搭建人機交互界面，使用TestStand搭建測試流程執(zhí)行序列，針對不同種類的傳感器，可以在TestStand中配置不同的測試流程，每個測試流程都有對應的Sequence文件，通過在LabVIEW中調用TestStand運行引擎，加載Sequence來完成測試功能，更換傳感器類型時，只需要加載不同的Sequence文件即可以完成對不同類型傳感器的測試，真正實現了平臺式測試系統(tǒng)。
測試流程如圖2所示。
圖2 位置傳感器標定與測試流程
軟件啟動后，首先對系統(tǒng)硬件進行初始化，確保設備處于正常狀態(tài)。初始化之后，操作員要將傳感器放置到測試夾具上，在傳感器底部設置了光纖傳感器用來檢測被測件有無。按下開始測試按鈕后，快速加熱器首先對傳感器及其所處的環(huán)境進行加熱，待傳感器溫度穩(wěn)定后，開始對傳感器進行標定，只有標定成功的傳感器才能進行測試，如果標定不成功，則測試失敗，記錄測試數據和失敗原因，完成本次測試。標定成功后，繼續(xù)對被測件進行校準和測試，讀取被測件的測試結果，將測試值與標準值進行比較，如果測試值在標準值范圍內，則判定該產品為合格品，否則為不合格品，最后對測試數據和測試結果進行記錄，輸出報表，并且將測試數據存儲到數據庫中。
3.2功能模塊
系統(tǒng)軟件在功能實現上采用模塊化的實現方式，即特定模塊實現特定功能，主要包括訂單管理模塊、數據查看模塊、調試工具模塊、參數配置模塊、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被測件進行管理，包括新開工單、查看訂單、關閉訂單三種操作，便于對被測件的信息進行跟蹤管理。
數據查看模塊主要實現對測試數據和測試結果的查看，包括Excel數據查看、日志數據查看和界面語言選擇，Excel數據主要包括被測件的測試數據和測試結果，日志數據包括系統(tǒng)的操作信息，界面語言選擇可以切換不同的操作語言，系統(tǒng)默認設置了英文和中文兩種操作語言，除此以外，還可以根據用戶的需要添加多種操作語言。
調試工具模塊主要完成系統(tǒng)硬件的單步調試工作，包括電源調試、數字I/O調試、快速加熱器調試、傳感器通訊和電機調試，便于檢測系統(tǒng)硬件故障。
參數配置模塊主要完成系統(tǒng)的配置信息，包括傳感器參數配置、系統(tǒng)定期任務配置和計數器配置。
操作窗口模塊用于切換不同的操作窗口，系統(tǒng)默認是生產模式，生產模式下只能進行生產測試，工程師模式下可以進行單步測試，跟蹤每一步測試過程。
用戶管理模塊主要完成用戶登陸和用戶管理。該系統(tǒng)配置了多個級別用戶，不同級別的用戶擁有不同的操作權限，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)的相關幫助文件。
軟件界面如圖4所示。
圖4 軟件界面
4結束語
智能位置傳感器標定與檢測系統(tǒng)平臺是我公司在原有其它傳感器測試系統(tǒng)基礎上研制的。該系統(tǒng)以柔性測試技術為設計思想，采用LabVIEW結合TestStand作為軟件平臺，配合高性能的模塊化硬件平臺，實現了對多種位置傳感器進行標定和檢測的過程，是一套名副其實的平臺式測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在溫度控制、電氣控制和機械結構控制方面均達到了高精度的測試要求，滿足測試結果的精確性和準確性，系統(tǒng)通過GR&R測試，是一套高精度的自動化測試系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已經成功應用于某知名傳感器生產廠商的生產線上。
參考文獻：
【1】王朝志等.基于虛擬儀器技術的汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)的研制.
