摘要
传感器是组成自动检测系统的重要元件，其性能的好坏直接影响整个检测系统的性能。传感器的合格与否是由传感器检测系统通过检测传感器的性能指标来判断的，拥有高精度和高可靠性的传感器检测系统是从事传感器生产和经营企业一个重要的设备。结合研制传感器检测系统实际，介绍了一种基于ＰＣＩ数据采集板卡的力敏传感器检测系统，通过硬件电路对传感器微弱信号高精度调理及数字滤波，实现了检测系统的高精度，最后对测试系统进行了精度验证。 关键词：数据采集，传感器检测，信号调理，线性光耦
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｓｅｎｓｏｒｉｓａｋｉｎｄｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｏｒａｕｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｈｏｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｌａｒｇｅｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｐｒｅ－ｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｏｓｅｓｅｎｓｏｒｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｗｈｅｔｈｅｒａｓｅｎｓｏｒｉｓｅｌｉｇｉｂｌｅｏｒｎｏｔｃａｎｂｅｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄｂｙｓｅｎｓｏｒｓ＇ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｔｈｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｅｎｇａｇｅｉｎｓｅｎｓｏｒｓ＇ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａｋｉｎｄｏｆｓｅｎｓｏｒｓ＇ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＣＩｄａｔａｃｏｌｌｅｃ
ｔｉｏｎｃａｒｄｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｏｒ＇ｓｓｉｇｎａｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｉｓａｌｓｏｂｒｉｅｆｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｅｎｓｏｒｓ＇ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ｌｉｎｅａｒｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ本文结合与某力敏传感器生产企业联合研制高精度力敏传感器静态性能测试系统实际，通过选用高精度的数据采集板卡、高质量的信号调理及数字滤波等手段，成功地开发了一种符合高精度要求的力敏传感器测试系统。
１系统的硬件设计
１．１传感器静态检测
传感器的主要静态性能指标有：线性度误差（也叫线性度）、灵敏度、迟滞和重复性等。这些性能指标是在传感器的输入和输出的关系基础上计算得到的。传感器的静态指标检测是在静态标准条件下进行的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击、环境温度为２０±５℃、相对湿度小于８５％、气压７６０±６０ｍｍＨｇ的情况。在这种标准工作条件下，利用高精度的检测系统对传感器进行往复循环测试，从而得到传感器的主要静态性能指标如线性度、灵敏度等，并判断该传感器是否合格。传感器自动检测系统应该能完成传感器的载荷加载、卸载、传感器数据的自动采集、分析计算及参数表格的保存和打印等功能。
１．２传感器检测系统的组成
基于ＰＣＩ数据采集板卡的力敏传感器检测系统如图１所示。
图１
传感器检测系统示意图
其中，高精度的自动加载装置有系列原型设备，其满量程有
６００ｋｇ、２Ｔ、１０Ｔ、３０Ｔ等，自动加载装置用来为待测传感器提供
外部载荷，其工作状态受１６位多功能数据采集板卡ＰＣＩ２３１９
的输出开关信号控制；ＰＣＩ板卡选用北京阿尔泰公司生产的１６位Ａ／Ｄ转换精度的多功能数据采集板卡ＰＣＩ２３１９，该板卡支持多路模拟信号输入，多路开关量输入输出，放大倍数１～８倍可设定，总体精度达到万分之一；隔离电源模块提供待测传感器的电桥电源和信号调理模块的电源；系统中的ＰＣ机和打印机为通用机型，ＰＣ机要求主板性能良好的品牌机，应用程序运行于ＰＣ机上。 应用程序将ＰＣＩ板卡采集到的数据进行分析计算并将结果按Ｅｘｃｅｌ格式输出打印。
吊炕
传感器测试系统的一个重要性能要求是必须要求有很高的精度及稳定性，具体地说至少要比待测传感器高一个精度等级，本测试系统的要求是，必须达到万分之三以上的测试精度。要实现高精度的测试系统，首先必须选用高精度的数据采集板卡、工控机或性能良好的通用ＰＣ机，同时由于传感器的输出信号较为微弱，一般在０～３０ｍＶ，影响测试精度的主要因素就是干扰信号。因此，在选用高精度的采集板卡和性能良好的ＰＣ机基础上，必须对传感器的信号进行高精度调理，利用信号调理模块对传感器的输出信号进行滤波隔离和不失真放大。另外，信号调理模块和传感器电桥的供电电源设计和数字抗干扰技术对测试系统的精度提高也非常重要。
１．３隔离电源设计
任何电源都存在内阻，正是由于内阻的存在才引起电源的噪声干扰，在微机系统中危害最严重的干扰源是电源的噪声干扰。对于传感器测试系统而言，由于待测传感器的输出信号极为微弱，如果不采用性能优越的电源为传感器的测量电桥和传感器的输出信号调理模块供电，那么传感器的信号将淹没在噪声干扰信号中。抑制电源的干扰信号的一种有效措施是采用隔离
电源，隔离电源设计有多种方法，如设计直流变换型电源，通过直流变换型电源内部的开关变压器实现电源输入和输出间的电气完全隔离。对于系统设计而言，最快捷可靠的方法是通过选用现有的ＡＣ／ＤＣ或ＤＣ／ＤＣ隔离型电源模块来设计隔离电源。
基于ＰＣＩ数据采集板卡的高精度传感器检测系统＊
乔爱民１
程荣龙１顶空瓶
张
燕２
吴
鸿２
胡伟全１
（１蚌埠学院，安徽蚌埠２３３０００；２方兴科技股份有限公司，安徽蚌埠２３３０３０）
ＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴｅｓｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＰＣＩＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
Ｃａｒｄ
＊安徽省教育厅自然科学基金资助项目（ＫＪ２００８Ｂ１１５）
基于ＰＣＩ数据采集板卡的高精度传感器检测系统
１２
图５
系统软件流程图
本系统采用定制的功率为３０Ｗ的ＡＣ／ＤＣ隔离型电源模块来设计隔离电源，为传感器测量电桥和信号调理模块供电。
１．４高精度信号调理模块
传感器检测系统的一个显著的特点是必须具备很高的精度，至少要比待测传感器高一个精度等级，具体到本系统设计中，必须要求达到高于万分之三的精度要求，而要达到该精度，除了选用１６位Ａ／Ｄ转换精度的采集板卡外，高质量的信号调理也是非常重要的。信号调理模块示意图如图２所示。
图２信号调理模块示意图
１．４．１前置滤波及放大
为了对来自信号源的共模干扰信号有很好的抑制，前置放大器采用高精度仪器放大器ＡＤ６２０。仪器放大器ＡＤ６２０具有高输入阻抗，低失调电压及温度漂移系数，而且可通过改变
ＡＤ６２０的１、８管脚的串接电阻值可获得１～１０００倍的放大倍
数。在对传感器的输出信号进行放大之前，通过对地串接电容滤除干扰信号。
１．４．２线性隔离及滤波电路ktkp-073
防止干扰信号非常有效的手段是对采集信号采取隔离技术。对模拟信号进行隔离的手段可采用专用的隔离放大芯片，但其价格比较昂贵，选择光电隔离是一种有效而且低成本的方案。普通的光耦器件由于其输入输出关系的非线性，通
常只用来进行数字信号隔离。高精度线性模拟光耦器件ＨＣ－ＮＲ２０１具有成本低、
线性度高（非线性度＜０．０１％）、高稳定性等特点，非常适合于模拟信号的高精度隔离应用场合。ＨＣＮＲ２０１是一种高线性度的模拟光电藕合器。它包含１个高性能的ＡＩＧａＡｓ发光二极管，在它的周围有２只非常接近的光电二极管。输人侧的光电二极管提供反馈作用，用来检测和稳定发光二极管发光的强度，从而能够有效地抵消发光二极管的非线性和温度漂移特性。输出侧的发光二极管能够产生一个正比于发光二极管发光强度的光电流。确保该元件的高线性和增益的稳定性。基于ＨＣＮＲ２０１的线性隔离放大电路见图４中的隔离电路部分。图４中由ＨＣＮＲ２０１及两个运放组成的隔离电路的输出输入电压关系：Ｖ０＝Ｋ・（Ｒ１８＋Ｒ１９）／Ｒ１３・Ｖ＿ＯＵＴ，其中Ｋ＝Ｉ２／Ｉ１为器件常数，其典型值为１。线性隔离部分的放大倍数可通过调节可变电阻Ｒ１９来实现，图４中三极管的作用为光耦的输入端二极管提供驱动顺电流，保证在输入电压Ｖ＿ＯＵＴ很小
的情况下对输入二极管的驱动，有利于提高在小电压输入情况下的隔离精度。
在电路设计时要注意电阻及运放的选择。
为进一步滤除干扰信号及集成芯片工作时产生的高频噪声，在对传感器信号进行放大和隔离后采用二阶巴特沃思低通滤波器对高频干扰信号进行滤波，考虑到传感器的信号变化缓慢，二阶巴特沃思低通滤波器的截至频率为５０Ｈｚ。
通过该信号调理模块，对待测传感器的输出信号进行线性隔离及放大，非线性度小于万分之三，放大倍数１０～２００倍可选。从而使得传感器信号能得到不失真地隔离放大，为检测系统的高精度打下牢固的基础。
２系统软件设计
２．１系统软件总体设计
系统软件以ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０为开发平台，后台采用Ａｃ－ip电话系统
ｃｅｓｓ数据库，用于动态存放传感器的规格、
检测仪器的类型及操作人员名单等。系统软件可以实时获取ＰＣＩ数据采集板卡采
集的数据，并对采集到的数据进行分析计算，从而得到待测传感器的各项性能参数。
系统软件主要提供以下功能：自动判断采集卡状态；提供传感器三次疲劳实验功能；对采集到的数据进行数字滤波及指标计算等处理；可以手动设置相关参数，以符合不同规格传感器的检测要求；自动保存检测结果，自动备份历史数据，并可根据要求查询历史检测结果；提供报表打印功能等。系统软件的流程图如图
５所示。
本系统提供传感器疲劳实验功能，传感器检测系统在正式工作之前首先进行三次传感器疲劳
实验。当点击“开始”按钮后，多功能板卡ＰＣＩ２３１９发出一开关量信号给自动加载装置，自动加载装置获取该信号后自动对传感器进行往复三次加载、卸载疲劳实验。疲劳实验结束后，自动加载装置向ＰＣＩ２３１９发一个开关量信号，系统程序通过捕获该信号可判断传感器三次疲劳完成，然后开始正式数据采集。系统软件自动对传感器的满量程输出按检测点数进行等分，并根据检测次数和检测点数的设置自动按加载（进程）及卸载（回程）过程完成对传感器的各个检测点输出数据往复采集。然后ＰＣ机根据采集到的各个检测点数据自动计算待测传感器的各项性能指标。传感器的性能指标参数按
Ｅｘｃｅｌ表格形式保存和打印。
２．２数字滤波
除了在硬件上对传感器信号进行调理外，在系统软件中设计了软件滤波模块，具体做法：
１）当在某检测点待测传感器的输出信号稳定后，首先对该检测点连续采样２０个值，然后采取一阶递推数字滤波器对这２０个数据进行ＲＣ低通数字滤波。其递推公式为：
Ｙｎ＝τＸｎ＋（１－τ
）Ｙｎ－１其中τ为时间常数，当取截止频率为３０Ｈｚ时，其值约为
０．００５；Ｘｎ为第ｎ次数字滤波器采样输入值，Ｙｎ为第ｎ次数字滤
波器输出值。
２）将经过一阶递推数字滤波器输出的２０个值去除最大值
和最小值再求平均值作为该检测点的传感器最终输出数据。
（下转第１５页
）
图３
前置滤波放大电路
图４
线性隔离及低通滤波电路
（上接第１３页）
３
系统精度测试
为检测测试系统的精度，通过对一满量程为５００ｋｇ、精度高于万分之三的标准拉力传感器分别用五位半表和该测试系统来对之进行检测，比较两者的检测结果。
用五位半表和测试系统测得的待测传感器正行程（加载）的输入和输出关系及直线拟合情况如图６所示。
以线性度为例，如对上述数据采用端点连线拟合方法得到的待测传感器线性度分别为：用五位半表测量时线性度约为
０．０２８％；用测试系统得到的线性度约为０．０２３％，测试系统精度
较高，测试系统完全满足精度要求。
参考文献
［１］常建生．检测与转换技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３
［２］ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ公司．ＡＤ６２０ｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎａ－
ｌｏｇ．ｃｏｍ，１９９９
［３］ＨＰＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓＣａｔａｌｏｇＣＤＲＯＭ，１９９７
［４］何立民．单片机应用系统设计［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，
２００２
［收稿日期：２００８．２．１２
］
图６
正行程输入输出关系和直线拟合图
串口节点把占用的串口资源释放掉。
３．１．２数据验证及处理
数据验证包括两步，首先判断从串口中读到的数据是否为空，若为空则继续等待，取到数据后进行第二步验证，判断取到的１１个字节数据中，第１个字节和第１１个字节是否为０ｘＦＦ。若验证出错则，弹出报警对话框，并在５ｓ后自动关闭程序。数据验证正确，则取出第２～１０个字节，用公式节点对其进行处理后存储到一维数组中。
３．１．３数据转换，插值及结果显示
测温结果用密度图来显示，密度图的输入数据类型为二维数组，利用数组转换节点把上面的一维数组转换为三行三列的二维数组。为了使显示的效果更细腻，特地编写了两个子ＶＩ，分别对二维数组进行行插值和列插值。即把相邻两行或两列的数据求平均值，再插入两行或两列中间。作为子ＶＩ，它
们也可被其他ＶＩ调用。对Ｓ０，Ｓ２，Ｓ６，Ｓ８加热到９０℃时，插值前后对比显示效果如图５所示，ａ为插值后，ｂ为未插值时，插值后把一个三行三列的二维数组变成了六十五行六十五列，很明显插值后显示效果更加细腻。
３．２下位机程序
下位机程序流程图如图３所示。单片机每次循环采集的数据先以一维数组的形式保存在单片机的数据存储器中，通过
ＲＳ－２３２串口通讯将采集的多路数据送入ＰＣ机，下一次循环
采集数据时把前一次数据更新。
４测试结果及总结
钙粉加工生产线测试系统使用的９个通道分别为采集系统的ＣＨ０和
ＣＨ７～ＣＨ１４，室温下进行温度测量时，密度图显示各点颜差异
不大，ＣＨ７区域颜稍浅，温度测量结果显示，除了ＣＨ７测得
温度为２２度以外，其余各路均为２３度。当数据传输出错时，系统自动弹出报警界面并自动关闭程序。
进行温度连续测量时，图６为两个局部加热效果图，ａ为把
Ｓ４加热到９５℃时的效果图，如图显示与Ｓ４对应的中间位置颜
最深，向四周逐渐变浅。ｂ为对Ｓ０，Ｓ２，Ｓ６，Ｓ８加热至９５度时
的效果图，与这四个传感器对应的四个角落位置颜最深，往中间逐渐变浅。
经实践检验，本系统性能稳定，信号采集效果良好。多路扩展工作正常，有良好的可扩展性，可用于多种传感器的信号采集。上位机程序可根据需要进行更改，根据实际需要，可扩展到
ar台６４路通道，各通道采样速率可达１５０Ｈｚ，对于一些变化不快的
量可以进行很好地测量。
参考文献
［１］侯国屏，王坤，等．ＬａｂＶＩＥＷ７．１编程与虚拟仪器设计［Ｍ］．北京：清华
大学出版社，２００５
［２］马忠梅，籍顺心，等．单片机的Ｃ语言应用程序设计［Ｍ］．３版．北京：
北京航空航天大学出版社，２００４
［３］ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＬａｂＶＩＥＷＵｓｅｒＭａｎｕａｌ．Ａｐｒｉｌ
２００３Ｅｄｉｔｉｏｎ
［收稿日期：２００７．１２．１４］
图４
ＬａｂＶＩＥＷ
程序框图
图５
插值效果对比图
图６
局部加热效果图
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