1 引言
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境湿度进行测量及控制。近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件[1],也将湿度测量技术提高到新的水平,因此对批量生产的湿度传感器的检测具有重要意义。
湿度传感器的核心部件就是湿敏元件,因此对湿度传感器的检测主要是检测其湿敏元件棗湿敏电容。传统的对批量生产的湿敏电容的检测是通过人工的方法,将生产出的一批(几十只或上百只)湿敏电容逐个的进行测量,每测量一次就要把测量仪上的测试电缆换到新的电容上,并将测量结果记录下来,最后通过记录的测量结果对电容进行分选。这种方法既费时又费力,而且分选时容易出错。后来对电容的批量测试引入了单片机技术,运用单片机技术的测量方法较以前的人工手段在测试速度上得到了很大提高,但这种方法不直观,我们无法直接在电脑上同时看到一个湿敏电容的其他参数,只能通过测试仪上的显示读出当前的测量参数,而且这种方法不太稳定。本文研究的湿度传感器测试系统就是用虚拟仪器技术组建的。这个测试系统与目前国内生产中使用的同类设备相比检测速度将得到大大提高,并使湿度传感器中湿敏元件的测试实现了智能化、自动化,测量精度也将得到一定的提高。由于采用了虚拟仪器技术,用户可以在计算机的虚拟面板上进行所有操作,具有使用方便、功能强及性能可扩展等优点,与传统仪器相比在数据处理、人机交换等方面显示出了巨大的优势[2],因此将在湿度传感器的科研和批量生产测试中得到广泛应用。
2 系统的整体设计
(1) 测量湿敏电容的电容值(C)、耗散因数(D)、品质因数(Q)、电阻值(R);试验箱内的环境状况测量,包括温度值、湿度值。
采用LCR测量仪,测量出湿敏电容的C、D(Q)、R值。由于放置湿敏电容的试验箱是多通道的,而LCR测量仪同一时间只能对一个通道进行测量,因此用程控开关对多个通道进行选择控制。选择的LCR测量仪具备校准功能,因为所使用的测试电缆、测试柱、程控开关对测量值都有一定的影响。
(2) 对仪器的控制及对测量的数据进行采集、分析处理与显示
LabVIEW软件通过收发指令来控制开关的选择和仪器的测量[3]。将测量后的值采集到计算机中,用于分析处理。测量仪测出的量并不能直接显示出湿敏电容传感器的性能,因此需要通过测量量计算出传感器的各个性能指标:灵敏度、湿滞、非线性、温度系数、时漂、长期稳定性和响应时间;再根据得出的值绘出线性曲线、温度系数曲线、时漂曲线、长期稳定性曲线和响应时间曲线等来表征传感器的性能,通过LabVIEW软件在计算机上显示出来;最后根据上面的分析计算将传感器分档,为以后的研究和使用做准备。
终端控制系统有三方面的作用,一是用于数据分析,二是数据显示,三是图形显示;程控开关的作用是切换不同的通道;湿敏元件试验箱即湿度发生器,用于存放湿敏元件;LCR测量仪用于测量出经程控开关切换的电容。系统的原理图如图1所示。
3 系统硬件组成
硬件组成图如图2所示,各个部分之间通过RS-232总线进行通信。控制系统主要由软件组成,软件通过RS-232接口控制测量仪是否开始测量,控制开关的选通和被测元件所在环境的温湿度。测量仪与开关之间也是通过RS-232总线进行连接。
4 系统软件设计
软件是测试系统的灵魂,几乎测试系统的全部工作都是在软件的控制下进行的,软件的设计质量直接影响测试系统的性能。虚拟面板是测试系统与用户交流信息的桥梁,通过精心布局、合理配置,设计出具有界面友好、操作简单、功能全面的虚拟面板。本测试系统的虚拟面板具有如下特点:高度的人机交互性－－用户的每一步操作都能得到提示和响应;功能键之间的互锁性－－提高了用户操作的准确性;被测信号实时显示－－测量过程中被测信号可动态显示[4-5]。
使用LabVIEW编程语言在Windows XP系统上构建测试系统的软件平台。软件由两部分组成,一是信号控制部分,通过对前面板上参数或按钮的设置,对试验箱的温湿度、程控开关的通道选择和LCR测量仪进行控制;一是数据采集部分,将测量仪测得的数据采集到计算机中,然后进行分析处理和计算,显示出所需要的技术指标,最终实现采集存储、定时存储、数据记录、数据分档等功能。
软件部分的设计包括两部分,一是对信号的控制部分,通过LabVIEW软件控制程控开关的切换、仪器是否开始测量和试验箱也就是湿度发生器的温度和湿度。另一部分是数据采集,将测量仪测得的数据通过串口采集到计算机中,然后对数据分析计算,最后分别显示出128个电容的灵敏度、湿滞、非线性及其曲线、温度系数及其曲线、时漂及其曲线、长期稳定性及其曲线、相应时间曲线、大容量和小容量湿敏电容的性能指标分档和D值分档。
对仪器的控制和对数据的读取,我们都是通过对串口进行操作来实现的。因为串口操作简单,而且所用的仪器本身带有串口,十分方便。上图为串口操作的基本流程图。
由于我们要对测得的数据进行分析处理,因此需要把测得的数据先存储到计算机中,等待测数据都测量完毕后再进行计算。这些都离不开文件I/0操作。文件I/0操作也是LabVIEW和外部交换数据的重要方式[6]。文件I/0格式取决于所读写的文件格式。LabVIEW可读写的文件格式由文本文件、二进制文件和数据记录文件3种[7]。使用何种格式的文件取决于采集和创建的数据及访问这些数据的应用程序[8]。上图为通过串口收发数据及存储程序框图。
采集完数据后,需要对大量的数据进行计算及处理,数据显示及处理部分的主要程序如下图所示。
图7显示了对湿敏电容的时漂的分档情况,当计算出的时漂大于1时,相应的数组中就会显示所有时漂大于1的电容的序列号,即我们可以通过此数组知道哪些电容的时漂是大于1的、哪些电容的时漂是小于1的。其它性能指标分档程序和其类似。
5 结束语
本文所设计的基于LabVIEW的湿敏电容测试系统,由于采用了虚拟仪器技术,用户可以在计算机的虚拟面板上进行所有操作,具有使用方便、功能强及性能可扩展等优点,与传统仪器相比在数据处理、人机交换等方面显示出了巨大的优势,并使湿度传感器中湿敏元件的测试实现了智能化、自动化,测量精度也将得到一定的提高,为批量生产的湿敏元件的测试带来了方便并提供了新的思路,因此将在湿度传感器的科研和批量生产测试中得到广泛应用。
参考文献:
[1] WIDMER A M.,CARVETH C J,KEFFLER J W,et al.Design of a computerized,temperature-Controlled,recirculating aquaria system[J].Aquacultural Engineering,2006,(9):81-86.
[2] FARACO G,GABRIELE L.Using LabVIEW for applying mathematical models in representing phenomena[J].Computers & Education,2006,(6):96-112.
[3] 李杨,郑莹娜,朱铮涛.图形化编程语言LabVIEW环境及其开放性[J].计算机工程,1999,25(4):63-65.
[4] 刘金颂,严洁,郑庆红.基于LabVIEW和单片机的空调温度场测量系统的研究[J].测控技术,2005,(8):78-80.
[5] KATRANAS G S,MEYADN T,OVERI A,et al.Simulation and measurement of bilayer sensor characteristics[J].Sensors and Actuators A,2006,(4):15-17.
[6] LEE S G,KIM C M,HWANG K S.Developm-ent of a software tool for Escherichia coli using a vieual programming environment[J].Joumal of Biote-chnology 119,2005,(10):87-92.
[7] 周箭,许昌.虚拟仪器棗测试技术的新领域[J].科技通报,1999,(1):24-29.
[8] 董湘,邹国奎.基于LabVIEW的远程测控方法研究[J].自动化仪表,2005,(9):6-13.
作者简介:刘成利(1977-),男,工程师,研究方向:传感器技术及推广应用。