基于柔性测试技术的位置传感器标定与检测系统平台的设计

作者：秦莉娜  王朝志  邓兆敏 （北京中科泛华测控技术有限公司，北京  100083）

摘要： 本文介绍了一种基于柔性测试技术的磁感应式位置传感器标定与检测系统平台。系统以LabVIEW和TestStand为开发平台，采用高性能的硬件设备，在温度控制、电气控制、运动控制等方面均达到了高精度的测试要求，可满足多种位置传感器的标定和检测要求，具备良好的测试性能和较高的可扩展性。

关键词：LabVIEW；TestStand；位置传感器；柔性测试技术

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

“柔性测试”技术是以测试测量系统的整体功能及性能为关注对象，对满足测试测量系统需求的方法和手段进行研究及开发的技术，采用高性能的模块化硬件，配合灵活高效的测试软件来完成各种测试测量和自动化控制的应用。它整合了虚拟仪器、测试测量、机电一体化、网络通讯及软件等多种技术，以测试系统的精确性、准确性、可靠性、适应性、灵活性和拓展性为研究目标；既面向应用，又专注于测试行业的发展，推动着现代测试技术在实际应用中的快速发展。
本系统是一套基于柔性测试技术理念开发的平台式位置传感器标定与检测系统，能够完成对多种位置传感器进行标定与检测。灵活的LabVIEW图形化编程语言与高效的TestStand测试流程管理软件相结合，集成模块化硬件平台以及多种通讯方式，使系统可以对直线位置传感器、角度位置传感器以及旋转位置传感器进行标定和检测，既能满足高精度的测试要求，又大大提高了系统的灵活性和扩展性，充分体现了柔性测试技术的优势。

系统原理

位置传感器就类型而言分为直线位置传感器、角度位置传感器和旋转位置传感器，每种传感器又分为不同的规格，比如直线位置传感器就包含多种长度和灵敏度规格。
位置传感器是一种磁敏感传感器，针对不同强度的磁场会有不同的信号输出，本系统采用特定的磁极在传感器周围移动产生需要的磁场，来建立标定、校准和测试该类传感器所需的磁场环境。
经过组装的位置传感器输出的信号是不准确的，在使用前必须经过标定、校准和检测，只有标定后通过校准和测试的传感器才能在实际中使用。标定和测试过程都需要在高精度的磁场变换环境中进行，系统采用直线与旋转两个工作台实现对直线型、旋转型位置传感器的标定和检测。同时本系统集成了完善的温度控制功能，可以对传感器的测试环境进行恒温控制，并对需要的传感器进行必要的恒温环境下校准与检测，对传感器的输出信号进行温度补偿，以提高对温度影响敏感类传感器输出的精度。本系统可以建立0℃～125℃范围内任意温度点的恒温环境控制，并且可以达到较高的精度。

图1 系统实现原理

在完整功能测试的模式下，系统会将测试箱内的传感器及测试夹具稳定在一个设定的温度，同时运动控制系统会控制磁极沿着传感器磁感应方向做步进式移动，同时采集传感器的反馈信号作为原始数据，并根据特定的算法计算出传感器的标定参数，然后根据不同的传感器通信协议将参数写入传感器的芯片，完成对传感器的标定。如果传感器标定需要考虑温度的影响，可以在低温和高温两个温度下进行相应的原始数据采集和标定处理，来进行温度的补偿校准，同时系统还可以对经过标定和校准的传感器进行全功能的检测，检查传感器是否符合生产要求，系统实现原理如图1所示。传感器的标定和检测流程都需要在高精度的位置控制环境下完成，本系统最高控制精度可以达到1μm。

2硬件设计

系统在设计时选用了NI公司高精度、高速度的数字万用表卡完成数据采集。同时选用了NI公司数字I/O卡来完成对传感器、开关、按钮等状态信息的查询和继电器、电子锁等元器件的控制，并且将设备反馈信息及时反馈到上位机进行处理。
针对被测传感器的多样性，系统设计了“柔性”的硬件平台，即为不同种类的传感器配置了不同规格的测试夹具或测试台，对于直线位置传感器，分别配置了75mm、150mm和225mm等多种规格的夹具，更换传感器时，只需要更换对应的夹具即可，对于角度位置传感器和旋转位置传感器，只需要更换测试台即可，灵活的硬件配置，使系统具有良好的适应性和扩展性。
系统中使用的主要硬件及其功能如下表描述：
表一 系统硬件组成及其功能

系统采用快速加热器对位置传感器及其测试环境进行加热。快速加热器是一种智能高低温吹风机，可以根据目标温度和当前温度的差异自动输出不同温度和不同流量的气体对物体进行加热或者制冷。
为了实时检测传感器的温度，在传感器旁设置了热电偶，待传感器稳定在目标温度以后，再控制滑台带动磁极在传感器上方移动。系统选用高精度的直线滑台来完成磁极的移动，由运动控制卡发送控制信号到滑台驱动器，滑台驱动器再控制滑台带动磁极移动，精度可以达到1μm，满足测试精度要求。
为了减少加热时的热量损失，保证传感器处于稳定的温度环境中，同时也为了保证加热和磁极移动时操作人员的安全，该系统采用温箱结构，即在操作台上设置一个盒式温箱，传感器的加热过程以及磁极的移动过程在温箱里完成。为了保证滑台不受温度影响，在测试箱内部，设置了Z型连接臂，将磁极固定在连接臂顶部，将连接臂底部伸出箱体外部与滑台相连，这种设计即保证了磁极移动的准确位置，又保证滑台不受温度变化的影响。
在测试箱体外侧还设置了电子锁，按下测试按钮后电子锁会自动将测试箱锁住，直到测试结束，电子锁自动打开，保证了在测试过程中操作人员的安全以及测试环境温度的稳定。
在系统安全方面，本系统还设计了看门狗，操作界面上的监控指示灯会实时显示系统操作状态，软件每隔2s向硬件发送系统状态信号，如果在30s内没有任何操作，系统将自动切断操作台的电源，起到保护系统的作用。
系统还设置了人性化的急停按钮，选用高性能的安全继电器，在发生紧急情况时按下急停按钮可以控制安全继电器切断工作台电源。
除此以外，系统还设计了RS-232、CAN总线、AS-I、Device-Net、ProfiBus等五种通讯方式，可以满足不同通讯协议的传感器的测试需求。

3软件设计

3.1测试流程

系统测试软件包括两部分内容，一部分是系统正常运行的基本操作系统，我们选用目前应用最广泛的Windows操作系统；另一部分是测试软件的开发平台，我们选用NI公司的图形化编程语言LabVIEW结合测试流程执行管理软件TestStand，开发出一套多功能的平台式测试系统。
本系统使用LabVIEW搭建人机交互界面，使用TestStand搭建测试流程执行序列，针对不同种类的传感器，可以在TestStand中配置不同的测试流程，每个测试流程都有对应的Sequence文件，通过在LabVIEW中调用TestStand运行引擎，加载Sequence来完成测试功能，更换传感器类型时，只需要加载不同的Sequence文件即可以完成对不同类型传感器的测试，真正实现了平台式测试系统。
测试流程如图2所示。

图2 位置传感器标定与测试流程

软件启动后，首先对系统硬件进行初始化，确保设备处于正常状态。初始化之后，操作员要将传感器放置到测试夹具上，在传感器底部设置了光纤传感器用来检测被测件有无。按下开始测试按钮后，快速加热器首先对传感器及其所处的环境进行加热，待传感器温度稳定后，开始对传感器进行标定，只有标定成功的传感器才能进行测试，如果标定不成功，则测试失败，记录测试数据和失败原因，完成本次测试。标定成功后，继续对被测件进行校准和测试，读取被测件的测试结果，将测试值与标准值进行比较，如果测试值在标准值范围内，则判定该产品为合格品，否则为不合格品，最后对测试数据和测试结果进行记录，输出报表，并且将测试数据存储到数据库中。

3.2功能模块

系统软件在功能实现上采用模块化的实现方式，即特定模块实现特定功能，主要包括订单管理模块、数据查看模块、调试工具模块、参数配置模块、操作窗口切换模块、用户管理模块以及系统帮助模块，每个模块又包含不同功能的子模块。系统软件功能模块如图3所示。

图3 软件功能模块

订单管理模块主要完成对被测件进行管理，包括新开工单、查看订单、关闭订单三种操作，便于对被测件的信息进行跟踪管理。
数据查看模块主要实现对测试数据和测试结果的查看，包括Excel数据查看、日志数据查看和界面语言选择，Excel数据主要包括被测件的测试数据和测试结果，日志数据包括系统的操作信息，界面语言选择可以切换不同的操作语言，系统默认设置了英文和中文两种操作语言，除此以外，还可以根据用户的需要添加多种操作语言。
调试工具模块主要完成系统硬件的单步调试工作，包括电源调试、数字I/O调试、快速加热器调试、传感器通讯和电机调试，便于检测系统硬件故障。
参数配置模块主要完成系统的配置信息，包括传感器参数配置、系统定期任务配置和计数器配置。
操作窗口模块用于切换不同的操作窗口，系统默认是生产模式，生产模式下只能进行生产测试，工程师模式下可以进行单步测试，跟踪每一步测试过程。
用户管理模块主要完成用户登陆和用户管理。该系统配置了多个级别用户，不同级别的用户拥有不同的操作权限，可以确保系统信息的安全。
系统帮助模块主要包含系统开发人员的信息和系统的相关帮助文件。

软件界面如图4所示。

图4 软件界面

4结束语

智能位置传感器标定与检测系统平台是我公司在原有其它传感器测试系统基础上研制的。该系统以柔性测试技术为设计思想，采用LabVIEW结合TestStand作为软件平台，配合高性能的模块化硬件平台，实现了对多种位置传感器进行标定和检测的过程，是一套名副其实的平台式测试系统。该系统在温度控制、电气控制和机械结构控制方面均达到了高精度的测试要求，满足测试结果的精确性和准确性，系统通过GR&R测试，是一套高精度的自动化测试系统。目前该系统已经成功应用于某知名传感器生产厂商的生产线上。

参考文献：
【1】王朝志等.基于虚拟仪器技术的汽车爆震传感器测试系统的研制.