汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的研制

虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器與傳統(tǒng)的儀器相比具有可重復(fù)性高、測(cè)量速度快、由用戶定義儀器功能、技術(shù)更新快等特點(diǎn)。

高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)三個(gè)組成部分是虛擬儀器技術(shù)的核心內(nèi)容。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面；模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成；標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)則能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。

本文將虛擬儀器技術(shù)引入壓電式汽車爆震傳感器生產(chǎn)線終檢檢測(cè)，開發(fā)出一種測(cè)量精度、自動(dòng)化程度、可擴(kuò)展性都比較高的汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)，不僅能夠滿足傳感器產(chǎn)品多樣性的需求，還能適應(yīng)生產(chǎn)線上大批量快速檢測(cè)的要求。

系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

系統(tǒng)的硬件組成

PXI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用量身定制的模塊化儀器平臺(tái)，內(nèi)建有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線，可配以各類模塊化的I/O硬件和相應(yīng)的測(cè)試測(cè)量開發(fā)軟件，能夠建立完全自定義的測(cè)試測(cè)量方案。

采用PXI高性能的硬件平臺(tái)作為汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、高效性和可擴(kuò)展性都大大提高。系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要包括PXI控制器、PXI數(shù)字I/O板卡、振臺(tái)、LCR表、高阻表、信號(hào)鎖相放大器、信號(hào)通道切換模塊、氣動(dòng)夾具系統(tǒng)等。

PXI控制器通過顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并通過GPIB總線與LCR表、高阻表、信號(hào)鎖相放大器等儀器進(jìn)行通信，控制儀器實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)。

PXI數(shù)字I/O板卡主要用于系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和動(dòng)作控制。信號(hào)通道切換模塊的動(dòng)作、測(cè)試啟動(dòng)鼠尾開關(guān)、急停按鈕等的狀態(tài)，氣動(dòng)夾具、打標(biāo)系統(tǒng)的控制，報(bào)警燈、蜂鳴器等狀態(tài)指示、廢品檢測(cè)功能等的實(shí)現(xiàn)都是利用PXI數(shù)字I/O板卡配合相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路來完成的。

LCR表、高阻表采用專用的測(cè)量?jī)x器，用于傳感器電阻、絕緣電阻、電容等參數(shù)的檢測(cè)。
信號(hào)鎖相放大器主要用于輸出激勵(lì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)振臺(tái)的控制，同時(shí)對(duì)靈敏度、線性度測(cè)試過程中兩路傳感器信號(hào)進(jìn)行鎖相和同步測(cè)量。

信號(hào)通道切換模塊主要為電阻電容測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量、靈敏度測(cè)量等測(cè)試任務(wù)建立相應(yīng)的信號(hào)測(cè)量通道。

系統(tǒng)利用壓電類振臺(tái)為爆震傳感器靈敏度、線性度提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)試環(huán)境。該振臺(tái)可以輸出頻率范圍為3kHz～50kHz、1kg負(fù)載下加速度最高可達(dá)250g的振動(dòng)。

在生產(chǎn)線上，靈敏度和線性度的檢測(cè)需要通過緊固螺釘實(shí)現(xiàn)傳感器與振臺(tái)的連接。為保證測(cè)試條件的一致性，采用定扭矩扳手為緊固螺釘提供固定的扭緊力。為保護(hù)振臺(tái)，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了專門的氣動(dòng)夾具系統(tǒng)，在裝卸傳感器過程中對(duì)振臺(tái)實(shí)施保護(hù)。

系統(tǒng)的工作原理

在汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)中，電阻、電容等指標(biāo)的測(cè)量可依賴于相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器，而對(duì)爆震傳感器靈敏度和線性度準(zhǔn)確高效的測(cè)試是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

壓電式爆震傳感器靈敏度的一種表示方式為某振動(dòng)頻率下其輸出電壓與振動(dòng)加速度之比。本系統(tǒng)采用背靠背對(duì)比法檢測(cè)爆震傳感器的靈敏度，即采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器作為參考，將爆震傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器背靠背安裝，在相同加速度下同步測(cè)量爆震傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出電壓，由于標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的靈敏度已知，通過兩種傳感器的輸出電壓之比就可以求出爆震傳感器在該頻率下的靈敏度。

壓電式爆震傳感器的線性度檢測(cè)主要通過連續(xù)改變振臺(tái)的振動(dòng)頻率，即采用掃頻的方式，將振臺(tái)的振動(dòng)加速度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，對(duì)各個(gè)頻率下的傳感器靈敏度進(jìn)行檢測(cè)，輸出各個(gè)靈敏度與頻率相對(duì)應(yīng)的連續(xù)曲線，并檢測(cè)該曲線是否符合該傳感器產(chǎn)品的線性度要求，其測(cè)試流程如圖2所示。

為滿足靈敏度精確測(cè)量的需要，在系統(tǒng)中利用信號(hào)鎖相放大器的信號(hào)輸出功能，提供一定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過濾波器電路處理和功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)振臺(tái)按設(shè)定頻率進(jìn)行振動(dòng)，軟件通過閉環(huán)方式控制激勵(lì)信號(hào)電壓幅值，使振臺(tái)在該頻率下產(chǎn)生穩(wěn)定的加速度振動(dòng)，并利用信號(hào)鎖相放大器的鎖相功能實(shí)現(xiàn)爆震傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器兩路信號(hào)的同步測(cè)量，保證系統(tǒng)線性度測(cè)試過程的精確和高效。

測(cè)控軟件的實(shí)現(xiàn)

軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，可以高效地創(chuàng)建人機(jī)交互軟件。標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式。在專業(yè)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)中運(yùn)用功能強(qiáng)大的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，可以結(jié)合其內(nèi)置的信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還能保證系統(tǒng)的靈活性，發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試應(yīng)用中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控軟件基于LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，主要采用狀態(tài)機(jī)并行處理結(jié)構(gòu)，同時(shí)將事件響應(yīng)與數(shù)據(jù)流執(zhí)行方式有機(jī)結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性。主程序框圖如圖3所示。

圖3 主程序框圖

軟件在功能實(shí)現(xiàn)上采用模塊化的方式，特定的模塊實(shí)現(xiàn)特定的功能。主要組成模塊有測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊，振臺(tái)控制模塊，氣動(dòng)夾具控制模塊，外部操作驅(qū)動(dòng)模塊，硬件維護(hù)模塊，系統(tǒng)安全保護(hù)模塊，用戶登錄與權(quán)限管理模塊，參數(shù)配置模塊，數(shù)據(jù)分析與顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出模塊等，如圖4所示。

圖4 軟件組成模塊

測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊主要控制儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能；振臺(tái)控制模塊采用閉環(huán)控制算法使振臺(tái)在不同的振動(dòng)頻率下都可以有穩(wěn)定的加速度振動(dòng)；氣動(dòng)夾具控制模塊主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程中對(duì)振臺(tái)夾具的動(dòng)作控制，同時(shí)可以控制打標(biāo)機(jī)構(gòu)等氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作；外部操作驅(qū)動(dòng)模塊通過對(duì)數(shù)字 I/O 端口的監(jiān)控，完成氣缸各種動(dòng)作狀態(tài)的監(jiān)視，并通過報(bào)警驅(qū)動(dòng)功能，用三色報(bào)警燈對(duì)測(cè)試進(jìn)程及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行直觀的指示，同時(shí)可利用廢品箱上的光電傳感器實(shí)現(xiàn)廢品計(jì)數(shù)，對(duì)廢品進(jìn)行質(zhì)量控制；為了生產(chǎn)安全和質(zhì)量保障的需要，在軟件中設(shè)計(jì)了專門的用戶登錄與權(quán)限管理模塊，可以分配管理員與一般操作者兩種權(quán)限，一般操作者只分配操作權(quán)限；軟件通過參數(shù)配置模塊實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定、存儲(chǔ)、加載和保存等功能；檢測(cè)過程中，數(shù)據(jù)分析與顯示模塊會(huì)對(duì)檢測(cè)參數(shù)、測(cè)試過程、測(cè)量數(shù)據(jù)與波形、最終結(jié)果等進(jìn)行動(dòng)態(tài)、直觀的顯示，同時(shí)利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出模塊將測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在Excel文件中，并可通過數(shù)據(jù)回放功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看；硬件維護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)試功能，可對(duì)各個(gè)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行維護(hù)操作；系統(tǒng)安全保護(hù)模塊具備完善的監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)反饋急停按鈕的狀態(tài)，當(dāng)測(cè)試過程中，操作人員按下急停按鈕后，會(huì)迅速停止測(cè)試過程的各項(xiàng)操作，并將系統(tǒng)設(shè)置為急停狀態(tài)，等待操作人員的進(jìn)一步處理。

汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試界面采用Windows XP風(fēng)格設(shè)計(jì)，如圖5所示，整個(gè)軟件界面簡(jiǎn)潔、美觀，操作功能完善。

圖5 軟件界面

汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)是在我公司其他類型汽車傳感器測(cè)試系統(tǒng)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研發(fā)的，可以對(duì)爆震傳感器的內(nèi)部電阻、絕緣電阻、電容、靈敏度、線性度等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)采用傳感器適配接口模塊化設(shè)計(jì)，適合多種壓電式爆震傳感器的檢測(cè)，可以滿足生產(chǎn)線在線質(zhì)量快速檢測(cè)需要。系統(tǒng)采用高精度設(shè)計(jì)，測(cè)試精度穩(wěn)定，滿足MSA測(cè)試要求，智能自動(dòng)化程序，提高測(cè)試效率和可靠性。工作臺(tái)右側(cè)外置透明廢品箱，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制。目前汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于西門子壓電式爆震傳感器生產(chǎn)線上的終檢測(cè)試。