基于LabVIEW的濕敏電容測試系統(tǒng)研究

1、基于LabVIEW的濕敏電容測試系統(tǒng)研究LabVIEW/擬儀器/敏電容/據(jù)采集1  引言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門,經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。近年來,國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展,為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件1,也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平,因此對批量生產(chǎn)的濕度傳感器的檢測具有重要意義。濕度傳感器的核心部件就是濕敏元件,因此對濕度傳感器的檢測主要是檢測其濕敏元件棗濕敏電容。傳統(tǒng)的對批量生產(chǎn)的濕敏電容的檢測是通過人工的方法,將生產(chǎn)出的一批(幾十只或上百只)

2、濕敏電容逐個的進(jìn)行測量,每測量一次就要把測量儀上的測試電纜換到新的電容上,并將測量結(jié)果記錄下來,最后通過記錄的測量結(jié)果對電容進(jìn)行分選。這種方法既費時又費力,而且分選時容易出錯。后來對電容的批量測試引入了單片機(jī)技術(shù),運用單片機(jī)技術(shù)的測量方法較以前的人工手段在測試速度上得到了很大提高,但這種方法不直觀,我們無法直接在電腦上同時看到一個濕敏電容的其他參數(shù),只能通過測試儀上的顯示讀出當(dāng)前的測量參數(shù),而且這種方法不太穩(wěn)定。本文研究的濕度傳感器測試系統(tǒng)就是用虛擬儀器技術(shù)組建的。這個測試系統(tǒng)與目前國內(nèi)生產(chǎn)中使用的同類設(shè)備相比檢測速度將得到大大提高,并使?jié)穸葌鞲衅髦袧衩粼臏y試實現(xiàn)了智能化、自動化,測量精度

3、也將得到一定的提高。由于采用了虛擬儀器技術(shù),用戶可以在計算機(jī)的虛擬面板上進(jìn)行所有操作,具有使用方便、功能強(qiáng)及性能可擴(kuò)展等優(yōu)點,與傳統(tǒng)儀器相比在數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交換等方面顯示出了巨大的優(yōu)勢2,因此將在濕度傳感器的科研和批量生產(chǎn)測試中得到廣泛應(yīng)用。2  系統(tǒng)的整體設(shè)計(1)  測量濕敏電容的電容值(C)、耗散因數(shù)(D)、品質(zhì)因數(shù)(Q)、電阻值(R);試驗箱內(nèi)的環(huán)境狀況測量,包括溫度值、濕度值。采用LCR測量儀,測量出濕敏電容的C、D(Q)、R值。由于放置濕敏電容的試驗箱是多通道的,而LCR測量儀同一時間只能對一個通道進(jìn)行測量,因此用程控開關(guān)對多個通道進(jìn)行選擇控制。選擇的LCR測量

4、儀具備校準(zhǔn)功能,因為所使用的測試電纜、測試柱、程控開關(guān)對測量值都有一定的影響。(2)  對儀器的控制及對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理與顯示LabVIEW軟件通過收發(fā)指令來控制開關(guān)的選擇和儀器的測量3。將測量后的值采集到計算機(jī)中,用于分析處理。測量儀測出的量并不能直接顯示出濕敏電容傳感器的性能,因此需要通過測量量計算出傳感器的各個性能指標(biāo):靈敏度、濕滯、非線性、溫度系數(shù)、時漂、長期穩(wěn)定性和響應(yīng)時間;再根據(jù)得出的值繪出線性曲線、溫度系數(shù)曲線、時漂曲線、長期穩(wěn)定性曲線和響應(yīng)時間曲線等來表征傳感器的性能,通過LabVIEW軟件在計算機(jī)上顯示出來;最后根據(jù)上面的分析計算將傳感器分檔,為以后的研

5、究和使用做準(zhǔn)備。終端控制系統(tǒng)有三方面的作用,一是用于數(shù)據(jù)分析,二是數(shù)據(jù)顯示,三是圖形顯示;程控開關(guān)的作用是切換不同的通道;濕敏元件試驗箱即濕度發(fā)生器,用于存放濕敏元件;LCR測量儀用于測量出經(jīng)程控開關(guān)切換的電容。系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。3  系統(tǒng)硬件組成硬件組成圖如圖2所示,各個部分之間通過RS-232總線進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)主要由軟件組成,軟件通過RS-232接口控制測量儀是否開始測量,控制開關(guān)的選通和被測元件所在環(huán)境的溫濕度。測量儀與開關(guān)之間也是通過RS-232總線進(jìn)行連接。4  系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件是測試系統(tǒng)的靈魂,幾乎測試系統(tǒng)的全部工作都是在軟件的控制下進(jìn)行的,軟件的設(shè)計

6、質(zhì)量直接影響測試系統(tǒng)的性能。虛擬面板是測試系統(tǒng)與用戶交流信息的橋梁,通過精心布局、合理配置,設(shè)計出具有界面友好、操作簡單、功能全面的虛擬面板。本測試系統(tǒng)的虛擬面板具有如下特點:高度的人機(jī)交互性-用戶的每一步操作都能得到提示和響應(yīng);功能鍵之間的互鎖性-提高了用戶操作的準(zhǔn)確性;被測信號實時顯示-測量過程中被測信號可動態(tài)顯示4-5。使用LabVIEW編程語言在Windows XP系統(tǒng)上構(gòu)建測試系統(tǒng)的軟件平臺。軟件由兩部分組成,一是信號控制部分,通過對前面板上參數(shù)或按鈕的設(shè)置,對試驗箱的溫濕度、程控開關(guān)的通道選擇和LCR測量儀進(jìn)行控制;一是數(shù)據(jù)采集部分,將測量儀測得的數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)中,然后進(jìn)行分析處

7、理和計算,顯示出所需要的技術(shù)指標(biāo),最終實現(xiàn)采集存儲、定時存儲、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分檔等功能。軟件部分的設(shè)計包括兩部分,一是對信號的控制部分,通過LabVIEW軟件控制程控開關(guān)的切換、儀器是否開始測量和試驗箱也就是濕度發(fā)生器的溫度和濕度。另一部分是數(shù)據(jù)采集,將測量儀測得的數(shù)據(jù)通過串口采集到計算機(jī)中,然后對數(shù)據(jù)分析計算,最后分別顯示出128個電容的靈敏度、濕滯、非線性及其曲線、溫度系數(shù)及其曲線、時漂及其曲線、長期穩(wěn)定性及其曲線、相應(yīng)時間曲線、大容量和小容量濕敏電容的性能指標(biāo)分檔和D值分檔。對儀器的控制和對數(shù)據(jù)的讀取,我們都是通過對串口進(jìn)行操作來實現(xiàn)的。因為串口操作簡單,而且所用的儀器本身帶有串口,十分

8、方便。上圖為串口操作的基本流程圖。由于我們要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,因此需要把測得的數(shù)據(jù)先存儲到計算機(jī)中,等待測數(shù)據(jù)都測量完畢后再進(jìn)行計算。這些都離不開文件I/0操作。文件I/0操作也是LabVIEW和外部交換數(shù)據(jù)的重要方式6。文件I/0格式取決于所讀寫的文件格式。LabVIEW可讀寫的文件格式由文本文件、二進(jìn)制文件和數(shù)據(jù)記錄文件3種7。使用何種格式的文件取決于采集和創(chuàng)建的數(shù)據(jù)及訪問這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序8。上圖為通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)及存儲程序框圖。采集完數(shù)據(jù)后,需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算及處理,數(shù)據(jù)顯示及處理部分的主要程序如下圖所示。圖7顯示了對濕敏電容的時漂的分檔情況,當(dāng)計算出的時漂大于1時,相應(yīng)的數(shù)組中就會顯示所有時漂大于1的電容的序列號,即我們可以通過此數(shù)組知道哪些電容的時漂是大于1的、哪些電容的時漂是小于1的。其它性能指標(biāo)分檔程序和其類似。5  結(jié)束語本文所設(shè)計的基于LabVIEW的濕敏電容測試系統(tǒng),由于采用了虛擬儀器技術(shù),用戶可以在計算機(jī)的虛擬面板上進(jìn)行所有操作,具有使用方便、功能強(qiáng)及性能