力傳感器是的目前廣泛使用的傳感器，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于使用環(huán)境、本身結(jié)構(gòu)的變化，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以此保證測(cè)量的精度。近年來(lái)，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)人員開始基于該技術(shù)來(lái)開發(fā)自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備。博士論文，標(biāo)定。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向［1］。而在眾多的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)中，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的LabVIEW應(yīng)用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標(biāo)定程序的設(shè)計(jì)。
標(biāo)定的原理
所謂標(biāo)定（或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)）［2］就是指用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的量來(lái)確定測(cè)試系統(tǒng)電輸出量與物理輸入量之間的函數(shù)關(guān)系的過(guò)程。標(biāo)定是測(cè)試中極其重要的一環(huán)。標(biāo)定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數(shù)關(guān)系之外，還可以最大限度地消除測(cè)量系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差。
傳感器的校準(zhǔn)采用靜態(tài)的方法，即在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)（其精度等級(jí)為被較傳感器的3~5倍）的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器重復(fù)（不少于3次）進(jìn)行全量程逐級(jí)加載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定傳感器的靜態(tài)基本性能指標(biāo)和精度的過(guò)程。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此處標(biāo)準(zhǔn)量采用砝碼加載的方式獲得。
?? 系統(tǒng)組成
硬件組成
系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)硬件組成
由圖可以看出，系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、接線盒等。本系統(tǒng)中，力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，四個(gè)應(yīng)變片采用全橋的工作方式。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數(shù)如下：它具有16個(gè)模擬輸入端口，2個(gè)模擬輸出端口，24個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，采樣速率最高可達(dá)到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數(shù)據(jù)采集卡相連，接線盒上有SCC信號(hào)調(diào)理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號(hào)調(diào)理模塊，其上面包含信號(hào)調(diào)理電路，可以將傳感器處采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集卡讀取的信號(hào)。本系統(tǒng)所用的SCC模塊為SCC-SG04，此模塊適用于連接采用全橋工作方式的電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
軟件組成
因?yàn)樗玫牧鞲衅鲗儆趹?yīng)變式電阻傳感器，其電阻變化率與應(yīng)變可以保持很好的線性關(guān)系，即輸入與輸出量之間呈線性關(guān)系，所以可以用一條直線對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標(biāo)定程序的采樣頁(yè)面。
此程序采用LabVIEW的事件驅(qū)動(dòng)編程技術(shù)進(jìn)行編制的。事件［3］是對(duì)活動(dòng)發(fā)生的異步通知。事件可以來(lái)自于用戶界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用戶界面事件可使前面板用戶操作與程序框圖執(zhí)行保持同步。事件允許用戶每當(dāng)執(zhí)行某個(gè)特定操作時(shí)執(zhí)行特定的事件處理分支。
圖2 標(biāo)定程序采樣頁(yè)面
采樣程序
直線擬合的方法［2］有很多種，比如最小二乘法、平均選點(diǎn)法、斷點(diǎn)法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進(jìn)行直線擬合。根據(jù)最小二乘法，假定
是一組測(cè)量值，
是相應(yīng)的擬合值，mse為均方差，則擬合目標(biāo)可以表達(dá)為
，期望mse最小。
LabVIEW中的分析軟件庫(kù)提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數(shù)擬合、通用多項(xiàng)式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來(lái)實(shí)現(xiàn)最小二乘法線性擬合。
標(biāo)定子程序的工作流程如下：用戶先通過(guò)多次采樣，獲得各個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量，通過(guò)While循環(huán)的移位寄存器保存這些值。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進(jìn)行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來(lái)，同時(shí)該Vi自動(dòng)求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數(shù)關(guān)系就可以確定下來(lái)了，如圖4所示。
圖4 標(biāo)定程序擬合前面板
小結(jié)
基于虛擬儀器的力傳感器標(biāo)定程序能夠方便地對(duì)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。該系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好，靈活方便，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。