汽车爆震传感器测试系统的研制
2008-12-29
作者：王朝志，阚宏伟，邓兆敏
摘 要： 从系统组成、测试原理、应用等方面介绍了一种基于虚拟仪器技术的汽车传感器" title="爆震传感器">爆震传感器测试系统" title="测试系统">测试系统，该系统具备性能可靠、测量精确、测试效率高等特点，可满足各种压电式爆震传感器生产线的终检需要。
关键词： 虚拟仪器技术；爆震传感器；测试系统
虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器与传统的仪器相比具有可重复性高、测量速度快、由用户定义仪器功能、技术更新快等特点。
高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台三个组成部分是虚拟仪器技术的核心内容。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面；模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成；标准的软硬件平台则能满足对同步和定时应用的需求。
本文将虚拟仪器技术引入压电式汽车爆震传感器" title="汽车爆震传感器">汽车爆震传感器生产线终检检测，开发出一种测量精度、自动化程度、可扩展性都比较高的汽车爆震传感器测试系统，不仅能够满足传感器产品多样性的需求，还能适应生产线上大批量快速检测的要求。
系统构成与工作原理
系统的硬件组成
PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，可配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，能够建立完全自定义的测试测量方案。
采用PXI高性能的硬件平台作为汽车爆震传感器测试系统的控制核心，使整个系统的可靠性、高效性和可扩展性都大大提高。系统的组成如图1所示，主要包括PXI控制器、PXI数字I/O板卡、振台、LCR表、高阻表、信号锁相" title="锁相">锁相放大器、信号通道切换模块、气动夹具系统等。
PXI控制器通过显示器、鼠标、键盘实现人机交互，并通过GPIB总线与LCR表、高阻表、信号锁相放大器等仪器进行通信，控制仪器实现各项测量任务。
PXI数字I/O板卡主要用于系统的状态反馈和动作控制。信号通道切换模块的动作、测试启动鼠尾开关、急停按钮等的状态，气动夹具、打标系统的控制，报警灯、蜂鸣器等状态指示、废品检测功能等的实现都是利用PXI数字I/O板卡配合相应的信号调理电路来完成的。
LCR表、高阻表采用专用的测量仪器，用于传感器电阻、绝缘电阻、电容等参数的检测。
信号锁相放大器主要用于输出激励信号实现对振台的控制，同时对灵敏度、线性度" title="线性度">线性度测试过程中两路传感器信号进行锁相和同步测量。
信号通道切换模块主要为电阻电容测量、绝缘电阻测量、灵敏度测量等测试任务建立相应的信号测量通道。
系统利用压电类振台为爆震传感器灵敏度、线性度提供一个标准的振动测试环境。该振台可以输出频率范围为3kHz～50kHz、1kg负载下加速度最高可达250g的振动。
在生产线上，灵敏度和线性度的检测需要通过紧固螺钉实现传感器与振台的连接。为保证测试条件的一致性，采用定扭矩扳手为紧固螺钉提供固定的扭紧力。为保护振台，系统中设计了专门的气动夹具系统，在装卸传感器过程中对振台实施保护。
系统的工作原理
在汽车爆震传感器测试系统中，电阻、电容等指标的测量可依赖于相应的测量仪器，而对爆震传感器灵敏度和线性度准确高效的测试是系统实现的重点和难点。
压电式爆震传感器灵敏度的一种表示方式为某振动频率下其输出电压与振动加速度之比。本系统采用背靠背对比法检测爆震传感器的灵敏度，即采用一个标准加速度传感器作为参考，将爆震传感器与标准加速度传感器背靠背安装，在相同加速度下同步测量爆震传感器与标准传感器的输出电压，由于标准加速度传感器的灵敏度已知，通过两种传感器的输出电压之比就可以求出爆震传感器在该频率下的灵敏度。
压电式爆震传感器的线性度检测主要通过连续改变振台的振动频率，即采用扫频的方式，将振台的振动加速度稳定在设定范围内，对各个频率下的传感器灵敏度进行检测，输出各个灵敏度与频率相对应的连续曲线，并检测该曲线是否符合该传感器产品的线性度要求，其测试流程如图2所示。
为满足灵敏度精确测量的需要，在系统中利用信号锁相放大器的信号输出功能，提供一定频率的正弦激励信号，经过滤波器电路处理和功率放大器放大后，驱动振台按设定频率进行振动，软件通过闭环方式控制激励信号电压幅值，使振台在该频率下产生稳定的加速度振动，并利用信号锁相放大器的锁相功能实现爆震传感器与标准加速度传感器两路信号的同步测量，保证系统线性度测试过程的精确和高效。
测控软件的实现
软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，可以高效地创建人机交互软件。标准图形化编程软件LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式。在专业测试软件设计中运用功能强大的LabVIEW开发平台，可以结合其内置的信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，在提供强大功能的同时还能保证系统的灵活性，发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。
汽车爆震传感器测试系统的测控软件基于LabVIEW进行设计开发，主要采用状态机并行处理结构，同时将事件响应与数据流执行方式有机结合，使整个系统具有较高的稳定性、实时性和可靠性。主程序框图如图3所示。
图3 主程序框图
软件在功能实现上采用模块化的方式，特定的模块实现特定的功能。主要组成模块有测量驱动模块，振台控制模块，气动夹具控制模块，外部操作驱动模块，硬件维护模块，系统安全保护模块，用户登录与权限管理模块，参数配置模块，数据分析与显示模块，数据存储与输出模块等，如图4所示。
图4 软件组成模块
测量驱动模块主要控制仪器实现测量功能；振台控制模块采用闭环控制算法使振台在不同的振动频率下都可以有稳定的加速度振动；气动夹具控制模块主要实现测试过程中对振台夹具的动作控制，同时可以控制打标机构等气动系统的动作；外部操作驱动模块通过对数字 I/O 端口的监控，完成气缸各种动作状态的监视，并通过报警驱动功能，用三色报警灯对测试进程及测试结果进行直观的指示，同时可利用废品箱上的光电传感器实现废品计数，对废品进行质量控制；为了生产安全和质量保障的需要，在软件中设计了专门的用户登录与权限管理模块，可以分配管理员与一般操作者两种权限，一般操作者只分配操作权限；软件通过参数配置模块实现传感器检测参数的设定、存储、加载和保存等功能；检测过程中，数据分析与显示模块会对检测参数、测试过程、测量数据与波形、最终结果等进行动态、直观的显示，同时利用数据存储与输出模块将测试结果实时存储在Excel文件中，并可通过数据回放功能对数据进行查看；硬件维护模块实现硬件调试功能，可对各个测量仪器进行维护操作；系统安全保护模块具备完善的监控功能，实时反馈急停按钮的状态，当测试过程中，操作人员按下急停按钮后，会迅速停止测试过程的各项操作，并将系统设置为急停状态，等待操作人员的进一步处理。
汽车爆震传感器测试系统的测试界面采用Windows XP风格设计，如图5所示，整个软件界面简洁、美观，操作功能完善。
图5 软件界面
汽车爆震传感器测试系统是在我公司其他类型汽车传感器测试系统成熟产品的基础上研发的，可以对爆震传感器的内部电阻、绝缘电阻、电容、灵敏度、线性度等性能参数进行测试。
系统采用传感器适配接口模块化设计，适合多种压电式爆震传感器的检测，可以满足生产线在线质量快速检测需要。系统采用高精度设计，测试精度稳定，满足MSA测试要求，智能自动化程序，提高测试效率和可靠性。工作台右侧外置透明废品箱，可对产品进行质量控制。目前汽车爆震传感器测试系统已成功应用于西门子压电式爆震传感器生产线上的终检测试。
参考文献
[1] 董辉.汽车用传感器[M].北京：北京理工大学出版社，2000.
[2] 陈志恒，胡宁.汽车电控技术[M].北京：高等教育出版社，2003.
[3] 寇国瑷，杨生辉.汽车电器与电子控制系统[M].北京：人民交通出版社，2003.