汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)的研制

虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器與傳統(tǒng)的儀器相比具有可重復性高、測量速度快、由用戶定義儀器功能、技術更新快等特點。

高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺三個組成部分是虛擬儀器技術的核心內容。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；標準的軟硬件平臺則能滿足對同步和定時應用的需求。

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

系統(tǒng)構成與工作原理

系統(tǒng)的硬件組成

PXI作為一種專為工業(yè)數據采集與自動化應用量身定制的模塊化儀器平臺，內建有高端的定時和觸發(fā)總線，可配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發(fā)軟件，能夠建立完全自定義的測試測量方案。

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

PXI控制器通過顯示器、鼠標、鍵盤實現人機交互，并通過GPIB總線與LCR表、高阻表、信號鎖相放大器等儀器進行通信，控制儀器實現各項測量任務。

PXI數字I/O板卡主要用于系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和動作控制。信號通道切換模塊的動作、測試啟動鼠尾開關、急停按鈕等的狀態(tài)，氣動夾具、打標系統(tǒng)的控制，報警燈、蜂鳴器等狀態(tài)指示、廢品檢測功能等的實現都是利用PXI數字I/O板卡配合相應的信號調理電路來完成的。

LCR表、高阻表采用專用的測量儀器，用于傳感器電阻、絕緣電阻、電容等參數的檢測。
信號鎖相放大器主要用于輸出激勵信號實現對振臺的控制，同時對靈敏度、線性度測試過程中兩路傳感器信號進行鎖相和同步測量。

信號通道切換模塊主要為電阻電容測量、絕緣電阻測量、靈敏度測量等測試任務建立相應的信號測量通道。

系統(tǒng)利用壓電類振臺為爆震傳感器靈敏度、線性度提供一個標準的振動測試環(huán)境。該振臺可以輸出頻率范圍為3kHz～50kHz、1kg負載下加速度最高可達250g的振動。

在生產線上，靈敏度和線性度的檢測需要通過緊固螺釘實現傳感器與振臺的連接。為保證測試條件的一致性，采用定扭矩扳手為緊固螺釘提供固定的扭緊力。為保護振臺，系統(tǒng)中設計了專門的氣動夾具系統(tǒng)，在裝卸傳感器過程中對振臺實施保護。

系統(tǒng)的工作原理

在汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)中，電阻、電容等指標的測量可依賴于相應的測量儀器，而對爆震傳感器靈敏度和線性度準確高效的測試是系統(tǒng)實現的重點和難點。

壓電式爆震傳感器靈敏度的一種表示方式為某振動頻率下其輸出電壓與振動加速度之比。本系統(tǒng)采用背靠背對比法檢測爆震傳感器的靈敏度，即采用一個標準加速度傳感器作為參考，將爆震傳感器與標準加速度傳感器背靠背安裝，在相同加速度下同步測量爆震傳感器與標準傳感器的輸出電壓，由于標準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主要通過連續(xù)改變振臺的振動頻率，即采用掃頻的方式，將振臺的振動加速度穩(wěn)定在設定范圍內，對各個頻率下的傳感器靈敏度進行檢測，輸出各個靈敏度與頻率相對應的連續(xù)曲線，并檢測該曲線是否符合該傳感器產品的線性度要求，其測試流程如圖2所示。

為滿足靈敏度精確測量的需要，在系統(tǒng)中利用信號鎖相放大器的信號輸出功能，提供一定頻率的正弦激勵信號，經過濾波器電路處理和功率放大器放大后，驅動振臺按設定頻率進行振動，軟件通過閉環(huán)方式控制激勵信號電壓幅值，使振臺在該頻率下產生穩(wěn)定的加速度振動，并利用信號鎖相放大器的鎖相功能實現爆震傳感器與標準加速度傳感器兩路信號的同步測量，保證系統(tǒng)線性度測試過程的精確和高效。

測控軟件的實現

軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，可以高效地創(chuàng)建人機交互軟件。標準圖形化編程軟件LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式。在專業(yè)測試軟件設計中運用功能強大的LabVIEW開發(fā)平臺，可以結合其內置的信號采集、測量分析與數據顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性，在提供強大功能的同時還能保證系統(tǒng)的靈活性，發(fā)揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優(yōu)勢。

汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)的測控軟件基于LabVIEW進行設計開發(fā)，主要采用狀態(tài)機并行處理結構，同時將事件響應與數據流執(zhí)行方式有機結合，使整個系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實時性和可靠性。主程序框圖如圖3所示。

圖3 主程序框圖

軟件在功能實現上采用模塊化的方式，特定的模塊實現特定的功能。主要組成模塊有測量驅動模塊，振臺控制模塊，氣動夾具控制模塊，外部操作驅動模塊，硬件維護模塊，系統(tǒng)安全保護模塊，用戶登錄與權限管理模塊，參數配置模塊，數據分析與顯示模塊，數據存儲與輸出模塊等，如圖4所示。

圖4 軟件組成模塊

測量驅動模塊主要控制儀器實現測量功能；振臺控制模塊采用閉環(huán)控制算法使振臺在不同的振動頻率下都可以有穩(wěn)定的加速度振動；氣動夾具控制模塊主要實現測試過程中對振臺夾具的動作控制，同時可以控制打標機構等氣動系統(tǒng)的動作；外部操作驅動模塊通過對數字 I/O 端口的監(jiān)控，完成氣缸各種動作狀態(tài)的監(jiān)視，并通過報警驅動功能，用三色報警燈對測試進程及測試結果進行直觀的指示，同時可利用廢品箱上的光電傳感器實現廢品計數，對廢品進行質量控制；為了生產安全和質量保障的需要，在軟件中設計了專門的用戶登錄與權限管理模塊，可以分配管理員與一般操作者兩種權限，一般操作者只分配操作權限；軟件通過參數配置模塊實現傳感器檢測參數的設定、存儲、加載和保存等功能；檢測過程中，數據分析與顯示模塊會對檢測參數、測試過程、測量數據與波形、最終結果等進行動態(tài)、直觀的顯示，同時利用數據存儲與輸出模塊將測試結果實時存儲在Excel文件中，并可通過數據回放功能對數據進行查看；硬件維護模塊實現硬件調試功能，可對各個測量儀器進行維護操作；系統(tǒng)安全保護模塊具備完善的監(jiān)控功能，實時反饋急停按鈕的狀態(tài)，當測試過程中，操作人員按下急停按鈕后，會迅速停止測試過程的各項操作，并將系統(tǒng)設置為急停狀態(tài)，等待操作人員的進一步處理。

汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)的測試界面采用Windows XP風格設計，如圖5所示，整個軟件界面簡潔、美觀，操作功能完善。

圖5 軟件界面

汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)是在我公司其他類型汽車傳感器測試系統(tǒng)成熟產品的基礎上研發(fā)的，可以對爆震傳感器的內部電阻、絕緣電阻、電容、靈敏度、線性度等性能參數進行測試。

系統(tǒng)采用傳感器適配接口模塊化設計，適合多種壓電式爆震傳感器的檢測，可以滿足生產線在線質量快速檢測需要。系統(tǒng)采用高精度設計，測試精度穩(wěn)定，滿足MSA測試要求，智能自動化程序，提高測試效率和可靠性。工作臺右側外置透明廢品箱，可對產品進行質量控制。目前汽車爆震傳感器測試系統(tǒng)已成功應用于西門子壓電式爆震傳感器生產線上的終檢測試。