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压力传感器校准和测控系统研究 机械工程领域 研究生王刚指导教师郭祚达黄健 压力测量是风洞试验的一个重要项目，完成压力测量的各种压力计量器具的 校准数据直接关系到风洞吹风试验的质量，据统计我单位有各种型号规格的压力 传感器数千台件，对压力计量器具的校准是基地计量测试站的重要业务之一，而 压力传感器静态特性的校准是一个比较复杂的过程，以前的校准是由人工手动将 压力控制到每个压力点，然后记下每个传感器的输出值，最后经过复杂的计算给 出校准结果，这样不仅校准效率低而且测量精度也会受到影响。为了改进和完善 校准压力计量器具的标准和对风洞试验使用的各种压力传感器、压力扫描阀和用 于实时校准的压力源进行定期、保质的校准，基地计量测试站提出研制一套完善的 压力传感器校准测量和控制系统，这是一项直接应用于风洞吹风试验的计量标准 科研课题。 压力传感器校准测控系统是经正式组织论证并申请批准立项的科研课题。该 测控系统已经完成研制工作并已投入试运行，经与手动校准的对比试验，大量的 实验结果表明该系统的技术性能达到预定的指标。 关键词：压力传感器校准测控 a b s t r a c t p r e s s u r em e a s u r e m e n ti sas i g n i f i c a n tp a r tf o rt h ew i n dt u n n e lt e s t t h ec a l i b r a t i o nd a t af r o mv a r i o u sm e t r o l o g i c a li n s t r u m e n t sd u r i n gt h e p r e s s u r em e a s u r e m e n ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo ft h ew i n dt u n n e l t e s t f r o ms t a t i s t i c s ，t h e r ea r eo v e r8 0 0 0p r e s s u r et r a n s d u c e r sw i t h d i f f e r e n tt y p e si nc a m ) c s oi t i sa ni m p o r t a n tt a s kf o ri t sm e t r o l o g i c a l t e s t i n gs t a t i o nt oc a l i b r a t et h ep r e s s u r em e a s u r i n gi n s t r u m e n t s h o w e v e r ， t h et r a n s d u c e rs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sc a l i b r a t i o ni sav e r yc o m p l e xp r o c e s s t h ep r e v i o u sc a l i b r a t i o ni sc h a r a c t e r i z e db y1 0 we f f i c i e n c ya n dw o r s e a c c u r a c yb e c a u s et h er e s u l ti so b t a i n e df r o mt h ec o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n a f t e re v e r yp r e s s u r ep o i n t sm a n u a l c o n t r o la n de v e r yt r a n s d u c e r s o u t p u tv a l u er e c o r d i n g i no r d e rt oi m p r o v et h es t a n d a r do ft h ep r e s s u r e c a l i b r a t i o ni n s t r u m e n ta n dp e r i o d i c a l l yc a l i b r a t et h ep r e s s u r et r a n s d u c e r s ， p r e s s u r es e a n i v a l v e sa n dp r e s s u r es o u r c e su s e di n t h ew i n dt e s t s ，t h e s t a t i o nw i l ld e v e l o pas e to fc a l i b r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h e p r e s s u r et r a n s d u c e r i ti sar e s e a r c hp r o j e c tf o rt h em e t r o l o g i c a ls t a n d a r d w i t had i r e c ta p p l i c a t i o nt ot h ew i n dt u n n e lt e s t t h ed e v e l o p m e n to ft h ec a l i b r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h ep r e s s u r e t r a n s d u c e rw a sap r o j e c tt h a th a db e e nd e m o n s t r a t e da n da p p l i e d t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a dc o m p l e t e di t sd e v e l o p m e n tr e c e n t l ya n d h a db e e np u ti n t oo p e r a t i o n an u m b e ro ft e s tr e s u l t s ，i n c l u d i n ga c o m p a r a t i v et e s tw i t ht h em a n u a lc a l i b r a t i o nh a ds h o w nt h a ti t st e c h n i c a l p e r f o r m a n c er e a c h e dt h es c h e d u l e ds d e c i f i c a t i o n k e yw o r d s ：p r e s s u r et r a n s d u c e r sc a l i b r a t i o nc o n t r o l i i 四川大学硕士学位论文 1 前言 在工程技术中所称的压力与物理学中的压强具有相同的概念，压力是生产过程 和科学实验中进行测量和控制的最基本参数之一。而对压力进行测量的压力传感器 在宇航、航天、石油、化工等部门的生产和科研中的应用极为广泛，压力传感器能 够将压力信号转换为电信号，它具有测量范围广宽，准确度高，便于在自动控制中 进行控制和报警，可以远距离测量，携带方便等特点。有些压力传感器还适用于高 频变化的动态压力的测量。 为了保证压力测量的准确性，必须对压力传感器按一定的要求进行量值传递 和定期检定。世界各国均制定了严格的压力量值传递方法和检定规程。我国对压 力传感器的检定就有3 j g 8 6 0 一9 4 压力传感器( 静态) 和j j 6 6 2 4 8 9 压力传感 器动态校准等法规。 压力传感器校准和测控系统主要是利用p p c 2 + 压力控制器校准器为主标器， 通过i e e e 4 8 8 接口，编制软件使其实现对压力传感器的校准和测控。 1 1 研究背景 压力测量是风洞试验的一个重要项目，完成压力测量的各种压力计量器具的 校准数据直接关系到风洞吹风试验的质量。据统计空气动力研究与发展中心有各 种型号规格的压力传感器八千多台件，因而对压力计量器具的校准是基地计量测 试站的重要业务之一。 1 1 1 原有检定装置 我计量测试站原有压力传感器检定装置是由一等标准补偿式微压计、标准水 图1 1 原有校准系统原理框图 四川大学硕士学位论文 表1 1 原有压力标准器情况 技术指标 序号主标准器名称启用时间 备注 ( 相对不确定) 一等补偿式 o - 2 5 k p a l 8 1 年微压 微压计0 0 l f s 标准水柱差 o l l o k p a 28 1 年 微压 压计0 0 6 f s 1 5 7 1 0 0 精3 5 - 7 0 0k p a 3 8 1 年 低压 密压力计 0 0 3 ps 1 4 5 精密压1 4 0 0 3 5 0 0k p a 4 8 1 年 已坏 力计0 0 3 f s 可见该系统有以下明显的缺陷： a 压力标准虽有三项，但是校准压力不能大于0 7 1 t p a ，并且给定标准压 力值是固定的几个点，不能校准量程内任意压力值。 b 一次只能校准1 只压力传感器，校准时间长。 c 人工手动控制压力输出，不易控制掌握，效率低，人眼读取压力值， 易出错，校准结果处理复杂。 由此可知原有的压力传感器检定系统不能满足我基地校准压力传感器的需 求。 1 1 2 现有检定装置 目前我们采用的测试检定系统为二台不同量程d h 公司的数字压力控制校准 器( p p c 2 十a 1 5 0 0 a 0 3 0 0 和p p c 2 + a 0 1 0 0 a 0 0 1 5 ) 。它们共有十二个量程，覆盖压力 范围从真空到1 0 m p a ，其每个量程的控压精度为0 0 0 1 f s ，测量精度为 o 0 0 5 f s ，相对总不确定度为0 0 1 f s 。它可以用来校准以气体作介质精度等级 为0 0 2 级以下( 含0 0 2 级) 的压力传感器、压力计等各种压力计量器具。其主 要性能指标见表1 2 。 2 四川大学硕士学位论文 表1 2 主标准器p p c 2 + 压力标准器情况( 单位：k p a ) p p c 2 + 压力量程表压5 0 0 i 1 0 0 1 9 0 0 2 9 0 05 9 0 09 9 0 0 控制器校准器绝压 6 0 01 2 0 0 2 0 0 0 3 0 0 06 0 0 01 0 0 0 0 a 1 5 0 0 0 3 0 0不确定度0 0 1 f so 0 1 f so 0 1 f so 0 1 f so 0 1 f so 0 1 f s p p c 2 + 压力量程表压 一7 0- 4 0o2 0 04 0 07 0 0 控制器校准器绝压 3 06 01 0 01 0 03 0 06 0 0 h o l 0 0 0 0 1 5 不确定度 o 0 1 i 强0 0 1 f s 0 o i f s0 0 1 f s0 0 1 f s0 0 1 f s 1 1 3 两套检定装置比较 现有p p c 2 + 压力控制器校准器较之以前的压力标准器量程更宽，精度更高， 操作也更加方便快捷。数字压力控制校准器还有许多先进的特点： a 无须预热： b 测量与测压气体无关，测压元件与测压介质隔离； c 测量精度不受仪器放置的影响，其内部的精度大气压力计随时对气压进行 补偿，用户可随时在表压、绝压间进行测压模式切换而无须加真空泵和真空 表： d 设置在底板上的自动调零组件进一步改善了仪器的长期稳定性； e 它的体积小重量轻能全面进行温度补偿，压力设定时间小于3 0 秒； f 它还具有标准接1 3r s 2 3 2 和i e e e 一4 8 8 2 接口能与计算机形成全自动多量程 压力校准系统。 i 2 研究目的和意义 由于传统检定方法和手段已经不能满足任务要求，手工检定费时、费力，还 存在较大人为读数误差，客观上要求我们必须对计量标准检定装置进行自动化改 造，通过一系列自动化改造，一方面可以提高计量人员科研研究能力，同时也是 贯彻推广i s 0 9 0 0 0 质量体系的必要保证。 压力传感器校准和测试系统的研制成功，大大缓减了我中心8 0 0 0 多台次压力 传感器检定压力，提高了工作效率。 四川大学唾士学位论文 2 压力传感器检定国内外现状和发展趋势 2 1 压力传感器静态特性的检定 2 1 1 压力传感器静态特性的手动检定方法 压力传感器的作用是感受压力，并将压力参数变换成电量，送到测量电路进 行测量。常见的压力传感器，根据其工作原理可分为电阻式压力传感器，电感式 压力传感器，电容式压力传感器，压电式压力传感器，霍尔式压力传感器，振弦 式压力传感器等多种。压力的测量始于1 6 5 4 年，而压力传感器的检定也有近百年 的历史，这一阶段的压力传感器检定方法，通常是利用检定用的标准器，借助手 动加压、减压的方法，产生所要求的标准压力来检定压力传感器。 手动检定压力传感器最常用的压力标准器具是活塞式压力计。诞生于1 8 6 0 年 的活塞式压力计，作为压力标准器具得到广泛的应用。随着科学技术水平及机械 加工技术的提高，活塞式压力计的测量准确度不断提高，测量范围不断扩大。目 前已有准确度等级0 0 0 2 级，测量范围达2 5 g p a 的活塞式压力计。二十世纪八十 年代初，出现了以气体为传压介质的活塞式压力计，成为中压范围压力传感器的 检定标准器。中国计量科学研究院就从美国d h 公司进口了一台气体活塞式压力计， 准确度等级为0 0 0 5 级，测量范围为o - 1 0 m p a 。我基地八十年代也从美国德克萨斯 州公司进口了二台以气体作介质的精密压力计，准确度等级为0 0 1 级，测量范围 为o 2 5 m p a 。 2 1 2 压力传感器静态特性的自动检定方法 压力传感器静态特性的手动检定不仅劳动强度大、工作条件差、检定效率低 ( 检定一只压力传感器至少需要3 0 分钟) ，而且读数易受人为因素影响，准确度 不易保证。自七十年代末八十年代初，世界各国的计量检定工作者纷纷开始压力 传感器静态特性检定自动化研究。早期压力传感器自动检定装置自动化程度较低， 而且自动化主要体现在标准压力的自动产生上，而对检定结果的记录、处理仍需 人工完成。随着计算机技术的应用，压力传感器检定自动化程度逐步提高，检定 准确度、检定速度均得到提高，操作日趋简便。同时，由于计算机的引入，使检 定数据的自动记录、处理更易于实现。 根据压力传感器检定的工作原理，可将压力传感器的自动检定方法分为两大 类：基于活塞式压力计的自动检定以及利用数字压力计的自动检定法。 四川大学硕士学位论文 2 1 2 1 基于活塞式压力计的自动检定方法 这种自动造压方法以活塞式压力计为基础，具有造压准确度高、范围大等优 点，其自动化通常体现在活塞旋转自动化、自动检测活塞位置以及自动加卸砝码。 1 9 8 4 年，t h c t ap n c u m a t i c s 公司生产的d & h 5 0 0 0 系列标准压力源实现了标准 压力产生的自动化。它采用线性差动变压器确定活塞的位置，利用机械手臂装卸 大砝码，小砝码的加卸由一系列电磁阀控制气缸的动作来完成。造压范围可达 5 0 0 m p a 。 英国剑桥大学的r s s h o r r o c k 与e j a t h e r t o n 于1 9 8 7 年提出了在活塞压力 计的基础上，利用电机带动螺旋压力机的自动加压方式，并利用位移传感器进行 闭环控制以提高系统的控制精度。系统中压力的大小仍由砝码质量及活塞的有效 面积确定。这种造压方法结构简单，系统的性能价格比较高。 2 1 2 2 利用数字压力计的自动检定方法 1 9 7 8 年，日本横滨电机制作所的研制成t 2 6 5 6 型标准压力发生器，实现了标 准压力产生的自动化。其压力产生原理是利用电机通过螺杆带动阀针移动，改变 阀座中气流流出孔的面积，从而调节输出压力的大小。这种压力发生器的误差可 小于满量程的0 1 ，压力发生的范围为o 2 0 0 k p a 。英国牛津压力系统公司于1 9 8 9 年推出了6 p c i i 型智能压力检定装置，内含多块精密压力变送器，用以监控定点 压力和测量系统内的压力，变送器置于恒温箱内，以消除温度的影响。压力的控 制由两个测量电磁阀完成，电磁阀的动作受计算机控制，定点造压误差小于 0 1 f s ，标准压力的产生范围为o i o m p a 。 英国d r u c k 公司研制出d p l 5 1 9 型压力检定仪。这种检定仪可产生误差 0 0 2 5 f s ，范围在一0 i 2 1 m p a 的标准压力，压力达到设定值的时间只需要4 秒 而无超调现象。采用高准确度的压力敏感元件监测内部产生的压力，压力敏感元 件产生的反馈信号输入到微处理器中，由微处理器采用脉宽调制方式控制内部电 磁阀动作。 2 1 3 压力传感器静态特性自动检定发展趋势 进入九十年代，压力传感器检定的自动化研究主要有两个趋势。一是适应于 现场检定的便携式压力检定仪，要求体积小、重量轻、操作简单、检定速度快， 以造就工业现场短时间内检定众多压力传感器的要求。1 9 9 4 年，英国t r a n s m s t i o n 四川大学硕士学位论文 公司研制成功1 2 9 2 型自动压力检定仪。这是第一台全自动控制压力传感器检定装 置，并可对检定结果进行数据记录的便携式压力检定仪。上限压力可达7 0 0 k p a ， 造压误差为0 0 5 f s ；其二是对于在计量检定实验室内使用的压力传感器检定系 统，主要研究的方向是提高检定的准确度及检定效率。同时还出现了计算机辅助 检定系统，可对检定结果进行自动记录、数据处理、给出标准的检定报告。 目前国内的压力传感器自动检定状况还比较落后，虽有不少单位进行了压力 传感器检定的自动化的研究工作，但关键技术仍需引进。1 9 9 0 年中国计量科学研 究院热工处引进英国r u s a k a 公司的6 0 0 0 型压力测量控制仪，及d a t r o n 公司的 1 0 7 1 型数字多用表，实现o 1 6 k p a 范围内压力传感器标定的部分自动化，系统利 用计算机传送造压控制命令，由压力控制测量仪产生指定检定点的标准压力，利 用转换开关依次采集各个压力传感器的输出值。但是这套系统仍需人工为压力控 制测量仪提供合适的工作压力。1 9 9 4 年，航空工业总公司6 1 1 所为飞机研制过程 中使用的压力传感器进行自动检定，用英国d p l 5 1 0 压力控制仪为核心组成了压力 传感器静态特性自动标定系统。增压系统采用单活塞往复式，空气驱动，无油润 滑气体增加器。利用计算机输出造压命令，并对标定结果进行分析、处理。 2 2 压力传感器动态特性的检定 我们把压力传感器的特性分成两类：静态特性和动态特性。压力传感器静态 特性的主要指标是灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、温度漂移和零点漂移 等等。一般我们校准压力传感器都是校准其静态特性，这是因为我们将压力传感 器理想化，认为其固有频率相当大而且本身无阻尼，这时压力传感器的静态特性 和动态特性是一样的。然而在被测压力随时间变化的情况下，压力传感器的输出 能否追随输入压力的快速变化是一个很重要的问题。有的压力传感器尽管其静态 特性非常好，但由于不能很好地追随输入压力的快速变化而导致严重的误差，有 时甚至出现高达百分之百的动态误差。所以我们必须要进行压力传感器动态特性 的校准，认真分析其动态响应特性。压力传感器动态特性可以用它的上升时间、 固有频率、幅频特性、相频特性来描述。 动态特性标定的方法一般有两种：正弦压力信号输入法和瞬态压力信号输入 法。正弦压力信号输入法是一种间接的检定方法，即被检定的压力传感器和一个 “参考”压力传感器相比较，而“参考”压力传感器具有理想的动态性能。正弦 6 四川大学硕士学位论文 压力信号输入法比较简单，但在高频、高压时，正弦信号往往严重畸变。因此一 般只能用于小压力或低频范围的检定。瞬态压力信号输入法利用阶跃波和其它非 周期的脉冲信号作输入，目前运用得比较成功的是阶跃波输入法。根据被标定的 压力传感器的阶跃响应，再用解析的方法计算其动态特性，此方法不需要动态性 能已知的参考压力传感器，所以它是一种直接的标定方法。 随着科学技术的迅猛发展，动态压力的测量与标定已日益为世界科技界所重 视。尽管自1 9 4 2 年美国普林斯顿( p r i n c t o n ) 大学建立第一台标定激波管以来已 有5 0 年历史，但前段时间一直处与低压标定阶段，一般压力范围不超过i o m p a 。 1 9 7 7 年法国航空空间研究院( c e r t ) 研制成功能标定5 0 6 0m p a 的高压标定激波 管。在国内，南京理工大学研制成功动态压力自动标定系统。浙江大学力学系激 波管科研组在八十年代初也已成功地获得了2 7 5 m p a 阶跃压力，并利用它获得了 瑞士生产的( k i s t l e r ) 和国产y y l 型压电式高压高频压力传感器的幅频特性。 校准压力传感器的动态特性就必须要有动态压力标准源( 如活塞式正弦压力 发生器、激波管等) ，然而日前我站尚末配置动态压力标准源，现在只能对压力 传感器动态特性进行理论研究，为开展压力传感器动态特性的检定工作作技术储 备。我们准备建立一套以激波管为动态压力标准源的“压力传感器动态特性校准 系统”，压力传感器动态特性校准系统的组成见图l 所示。该系统由激波管，气 压源及控制台，测速系统和瞬态数据采集和处理系统组成。气源部份用于供给激 波管以压缩气体。压缩气体由气瓶供给，经减压器，控制至激波管内。操作台上 还装有压力表，用于读取膜片破裂前高、低压力段的压力值。测速部分使用两只 传感器来测量入射的激波的速度，掠过第一只传感器时，电子计数开始计数，掠 过第二只传感器时计数器停止计数，从而可以获得入射激波的速度。校准时，瞬 态数据采集系统处于等待扫描状态，使用一只触发传感器来感受到激波压力，从 而使采集产生扫描信号。紧接着被测压力传感器又被激励，数据采集系统瞬态采 集数据并进行处理输出。该方案是可行的，主要有以下几个方面的理由：激波管 系统是本系统的核心部件，考虑激我所拥有波管系统，这样对它的特性应该能够 把握。由于整个系统测试参数多，因此软件的编制具有一定的难度和相当大的工 作量，但并没有不可克服的技术难题。国内外科研单位从事压力传感器动态特性 研究多年，研制开发在技术上是成熟的，也是可行的。同时我们也压力传感器动 态特性进行了大量的预研工作，为系统的研制成功提供了人员、设施条件。 四川大学硕士学位论文 2 3 科研试验现场校准技术的发展动向 其实，国内外早就有”现场校准的做法，那时由于准确度低，在现场主要用 于检查工作仪表是否正常，还不能用来校准工作特性，也没有用现场校准这种 说法。 9 0 年代以来，科学技术发展很快，智能化、数字化、计算机、通讯、控制技 术都获得了迅速发展，无论是生产过程仪表，还是用于科研的实验台上的仪表、 传感器的精度都有很大提高。在这种情况下，工作现场的环境条件与计量室的环 境条件不一样，有的甚至相差很大，有的现场环境工作条件还相当恶劣，使得在 计量室校准所得工作特性不能满足现场实际工作条件的需要，这一矛盾尖锐地摆 在人们面前。如何解决这个矛盾呢? 便提出了要在现场实际工作环境和工作条件 下进行校准的需要。科研生产实践对现场校准的迫切需求，促进了国内外现场校 准仪表的开发。 9 0 年代初美国f l u k e 公司首先推出了体积小巧( 相当于日常使用的万用表) 、 携带方便，能将压力、温度、电压、电流、电阻和频率校准、测试故障寻找以及 产生测试报告文件于一身的手持式新型多功能现场校准仪。仅用这样一块仪表， 就可以在现场测试或校准绝大部分生产过程仪表、传感器，使得现场测量及仪表 校准发生了革命性的变化，进一步推动了现场校准技术的发展。其它厂商，如英 国d r u c k 等公司也纷纷推出了相应的适合现场工作的校准仪表。 使用现场校准仪的试验和生产现场对测试仪表、传感器及测试系统进行校准 的数据就能代表测试系统现场真实运行的情况，减少和避免了环境和工作条件不 同引起的误差，提高了测试精度，保证了试验的成果和产品的质量。人们在实践 中还明显注意到现场校准比起把现场仪表拆下来拿到计量室校准大大提高工作效 率。 近年来随着i s 0 - 9 0 0 0 标准的贯彻，其中提出了要在产品研制生产过程中，从 设计、研制、生产、试验和使用过程中都要实施“计量保证”措施。现场校准就 是测试仪表在使用过程中实施计量保证的强有力的措施之一。工业界还注意到过 程检测方面正在逐步采用智能仪表、智能变送器取代普通仪表、普通变送器，并 开始用f c s 现场总线控制系统取代d c s 集散控制系统，这对现场校准提出了更高 的要求。因为这些仪表、变送器不是普通的单功能的现场仪表，而是具有综合功 能的智能仪表，实现了全数字化、全分散、全开放。不同厂商的现场仪表可以在 现场总线上互连、互换，并可任意组态。为适应这些发展，并考虑到目前h a r t 协 四川大学硕士学位论文 议是国际上应用最为广泛的现场通讯协议，f l u k e 公司进一步把f 7 4 0 系列过程校 准器的功能与h a r t 通讯能力结合起来研制成f 7 4 4 h a r t 过程认证校准器，这将为 具有h a r t 功能的智能仪表的现场校准提供更大方便。 对于智能变送器要不要进行定期校准，有一种观点认为不用校准，理由是它 们已对温度和非线性误差作了全数字补偿，其实这是一种误解。智能变送器对温 度误差和非线性实现全数字补偿虽然提高了精度，也在一定程度上改善了整个仪 表的性能，但还不能从根本上控制误差的变化，对于使用工作条件恶劣的变送器 情况更是如此。就像我们人虽然生活条件和保健条件大大改善了，这只能延缓衰 老，但不能停止衰老；会少生病，但不会不生病。为了正确使用和维护品质优良 的智能仪表，我们还是要定期校准和维护，确保其优良的使用性能。 四川大学硕士学位论文 3 压力传感器校准和测控系统研究 3 i 方案设计与选择 为了完善我基地压力传感器校准系统，扩大校准压力范围，提高校准不确定 度和工作效率，以满足风洞试验的要求，我基地计量测试站提出研制一套压力传 感器自动校准系统。 3 1 i 方案选择 组成自动校准测量系统有二种基本方案，一是数采系统，选用一块高精度的 过程通道卡插到计算机里，组成计算机数采系统；二是开关系统，即由通道扫描 开关+ 数字式仪表+ 计算机系统，组成计算机校准测控系统。 数采系统速度高成本低，但测量范围有限，精度一般较低；开关系统精度可 以很高，测量范围也宽，但速度低，成本高。据考察，h p 3 4 5 6 五位半数字表的a o 转换器为2 8 位长，是1 6 位a d 转换器的计算机模拟量输入卡也无法比拟的。 而就压力传感器校准测控系统而言，由于数字表和通道开关都已备有，成本并不 是问题。因此，决定采用开关系统。 3 i 2 方案原理及框图 3 。1 ，2 i 方案原理框图 压力传感器校准测控系统由p p c 2 + 压力控制器校准器、微机、通道扫描开关、 数字电压表和精密稳压电源等组成，其构成原理框图见下图： p p c 2 + 压力控i j氍力佶庸强 气 制器校准罂 7 ic 箍。：葛 精 j 上e u - 密 微机 亡刮主薹雾纛 稳 压 源_ = f 亡一 电 系统 矧h p 3 4 5 6 腿a 源 图3 1 校准系统原理框图 一 旦业奎堂堡主兰堡丝塞 f 1 p p c 2 + 压力控制器校准器本系统的主要设备： b i e e e 4 8 8 接口卡是用于连接微型与测控设备之问的通讯，它一方面将数字 电压表输出的信号传入微机，另一方厦将微机的控制信号送到被控设备： c 通道扫描开关将被校准的压力传感器输出信号依次输入数字电压表 h p 3 4 5 6 ： d 数字电压表对通道扫描开关选通的信号进行测量和转换，并通过i e e e 4 8 8 接口通用仪器化接口母线完成和微机的通讯： e 微机系统主机用大众i e o 机型，主频4 0 0 m h z ，内存1 2 8 m b ，硬盘6 g b ，它 配置了1 7 寸彩色显示器和e p s o n l i ( - 3 0 0 打印机。微机系统既是校准测控系统的 控件，也是该系统数据采集、处理的中心设备。 图3 2 压力传感器校准测控系统仪器组成示意图 四川大学硬士学位论文 3 1 2 2 工作流程 气源供气给p p c 2 + 压力控制器校准器，通过微机控制p p c 2 + 压力控制器校准 器输出所需的压力值经气压管道分别输送给各个被校准的压力传感器，再由微机 控制通道扫描开关分别将每个压力传感器的输出信号依次传送给数字电压表 h p 3 4 5 6 a ，经过数字电压表的a d 转换由微机采集处理、保存、显示和打印输出校 准结果。 3 i 2 3 实现指标 a 可校准压力范围从o 一1 0 m p a ，0 0 2 级以下的压力传感器。 b 一次校准压力传感器可达2 0 个。 c 自动控压、采集、存储校准数据，自动输出校准证书和报告。 3 1 2 4 气路设计要求( 设计图见图3 3 ) a 可承受压力1 5 m p a ，安全可靠。 b 能灵活控制输出气压卜2 0 个通道。 c 拆卸灵活方便。 图3 3 气路设计原理图 一气压管道 口三通、四通 。 开关阀 四川大学硕士学位论文 3 2 对i e e e - 4 8 8 接口卡的设置 i e e e - 4 8 接口卡在计量设置的自动化检定上有着广泛的应用，多功能i e e e 一4 8 8 接口卡是微机有用的补充，在1 4 个国家和地区有2 0 0 多个生产厂商生产的这种卡， 它允许微机同2 0 0 0 多种设备进行通讯。它遵守的i e e e 一4 8 8 1 9 7 8 这个标准是微 机与电子设备间进行信息交换的最广泛的国际标准。t e e e - 4 8 8 接口卡为微机和 i e e e 一4 8 8 总线间提供必要的硬件( 电子和机械) 和软件，接口的驱动子程序驻留于 板内的e p r o m 中，运行软件存储在只读软盘上，这个软盘一直有用，不能进行删 除和写操作。 3 2 ii e e e - 4 8 8 接口卡地址设置 p c l 一8 4 8 a bi e e e - 4 8 8 接口卡有两个d i p 开关( s w i 和s w 2 ) ，一个滑动开关( s w 3 ) 三个跳线开关( j p l 、j p 2 和j p 3 ) ，这些开关的设置必须与应用程序相一致。 c n hg p i b 连接口 c n 2 ：数字输出连接口 s w i ：i 0 口基地址和等待状态 s w 2 ：固件基地址 s w 3 ：操作方式 j p i ：d a c k 水平 j p 2 ：d r q 水平 j p 3 ：i r q ( 中断) 水平 a i o 口基地址和等待状态的设置 i o 口基地址和等待状态可以通过8 位的d i p 开关s w l 来选择，前六位决定 i o 口基地址，后二位决定等待状态，i o 口基地址可设置成十六进制2 0 0 到3 f 8 ， 等待状态可设置为0 、2 、4 、6 ，厂家设置为h e x 2 b o 和0 状态设置。 i e e e 一4 8 8 接口卡的基地址必须设置为b a s e + 8 ，b a s e 就是i o 口基地址，缺省 设置为2 b o + 8 = 2 8 8 ，这个地址在卡初始化中用到。 b 硬件段地址设置 硬件段地址可以通过开关s w 2 来选择，可设置成十六迸制8 0 0 0 到f e 0 0 ，厂家 设置为h e x d 0 0 0 。 四川大学硕士学位论文 这个地址范围位于微机6 4 0 k b 基本内存之外，必须防止这个地址与其它接口 卡相冲突，比如一台微机内有二个i e e e - 4 8 8 接口卡，为了有不同的工作区域地址 必须设为不同的值。 c 操作模式的选择 可以通过s w 3 来设置操作模式为”r 或n 。，一般设置为a ，设置为”n ”时表 明此卡与奔腾兼容，而无须软件升级。 d d 雌水平设置 此卡允许i e e e 一4 8 8 总线与p c 系统r a m 进行d m a ( 直接存储方式) 数据交换，可 通过控制d a c k 的j p l 开关和控制d r q 的j p 2 开关来设置d m a 水平设置，j p l 和j p 2 的设置要相对应，比如j p l 设置为d a c k 3 则j p 2 必须设置为d r q 3 。 e 中断水平i r q 的设置 可以通过j p 3 开关来设置中断水平从2 到7 。注意第4 、6 级不支持。 表3 1 系统卡厂家缺省设置 s w l i o 口基地址 h e x 2 b o s w l 等待状态 0 s w 2 硬件段地址 h e x d 0 0 0 s w 3 操作方式 a j p l d a c k 水平1 j p 2d r q 水平 l j p 3i r q ( 中断) 水平 7 3 2 2i e e e - 4 8 8 接口卡的安装 在安装之前，用接触卡背面的方法来消除静电，系统卡应避免与能产生静电的 材料如塑料等接触。安装步骤如下： a 关闭微机和其它相连设备( 如打印机、显示器) 。 b 切断电源线和微机背后其它连线，面对微机后面。 c 拆开微机主机盖板。 d 找到微机扩充槽( v x i ) 。 e 拆除微机扩充槽保护盖板。 四川大学硕士学位论文 f 小心抓住i e e e 一4 8 8 卡的上部边缘，使平衡架的孔与微机扩充槽的孔对齐， 把卡稳稳地插入微机扩充槽中，并插紧。 g 上好镙钉和微机后盖，连接好拆下的连线。 3 2 3ie e e 一4 8 8 接口卡的功能检查 确认卡已安装正确，把数字电压表h p 3 4 5 6 a 与i e e e 一4 8 8 连接好，下面用一个 简单的c 语言程序来进行功能检查。 a 把数字电压表h p 3 4 5 6 a 的d v m 与微机后面的i e e e 一4 8 8 连接好。 b 把数字电压表h p 3 4 5 6 a 的d 豫地址设置为2 3 。 c 打开数字电压表h p 3 4 5 6 a 和微机。 d 在c 语言环境中键入下面程序，在小模式下进行编译，并连接卡的小模式库 s m s c g p i b l i b 。( 其它模式有其相应的库，库中的2 1 个函数如下) e 运行程序，屏幕将显示数字电压表的1 0 个测量值，这就证明功能正确。 l e a b o r ti e d e c c l ri e d e v i c e1 e e n t e ri e e o ll e i n i ti e l i o i e l o c a li e o u t p u tl e o u t a i e p p o l li e p p o l c l e o o o l l ur e m o t e l e s e g i e s e n d i e s p o l l i e s t a t u si e t i m o u t i e t r i g m a i n ( ) i n ta d d r ，i ： c h a r * o u t s t r ： c h a ri n s t r 1 0 0 ： a d d r = 2 3 ：辟数字电压表h p 3 4 5 6 a 的地址木 o u t s t r = f 1 r 1 ”：木把数字电压表设置为直流电压功能和自动量程杉 i e s e g ( o x d 0 0 0 ) ： 序定义i e e e 一4 8 8 的硬件段地址为o x d 0 0 0 i e i n i t ( o x 2 8 8 ，2 1 ，0 ) ：序o x 2 8 8 是基地址，2 1 为i e e e 一4 8 8 的地址0 3 0 ，缺省 值为2 1 ，0 表示没有i r o 和d m a 水 i e o u t p u t ( a d d r ，o u t s t r 。2 ) ： f o r ( i = l ：i 1 0 ：i + + ) i e e n t e r ( a d d r ，i n s t r ，1 0 0 ) ： 四川大学顽士学位论文 p r i n t f ( ”s ”，i n s t r ) ： 在t u b o rc 语言环境中上面程序t e s t c 的编译运行。 a t c c o n f l g t c 文件的设置，设置如下： 0 p t i o n s l i n k e r c a s es e n s i t i v e 0 p ti o n s c o m p il e r c o d eg e n e r a t i o n g e n e r a t eu n d e r b a r s i v e 0 p t i o n s c o m p i l e r e r r o r s c o m m o n e r r o r s a ：f u n c t i o n s h o u l db er e t u r nav a l u e b p r 2 文件的编制 以上软件运行环境是d o s 。在w i n d o w s 中也是同样的方法，将系统磁盘中的 头文件和动态链结库同w i n d o w s 环境中的软件一同编译( 这种i e e e 一4 8 接口卡必 须支持w i n d o w s ) ，就可以象d o s 中一样调用所需的函数。 3 2 4i e e e - 4 8 8 接口卡的维护保养 i e e e 一4 8 8 卡无须内部调整和周期性的校准，但每年可进行一次保护性的维护 ( 高湿度地区问隔要小一些) 。 i e e e 一4 8 8 总线连接器和金属插脚应该清理以防灰尘和杂质，清理时可用棉签和 毛刷。一旦出现问题，一般是线路老化、接触不良和程序失误。 a 清洁接口位置。 1 6 四川丈学硕士学位论文 b 改变软件和开关设置。 改变地址设置。 用总线分析仪分析总线数据。 3 3 对p p c 2 + 压力控制器校准器的控制 3 3 ip p c 2 + 压力控制器校准器简介 p p c 2 + 是一独立的标准，根据量程分为p p c 2 + a 1 5 0 0 a 0 3 0 0 和a o i o o a 0 0 1 5 ，它 采用微处理器驱动，用以测量、校准测量设备气体压力的精确值，其设计集多样性 与易操作性于一身。p p c 2 + 用一只或二只高精度参考压力传感器( r p t ) 和一只底板气 压计，通过基于螺丝管阀门和微分压力校准器的一个气动模块来实现压力控制。用 户可通过p p c 2 + 前面板上的键来手动操作，也可以用计算机通过r s 2 3 2 接口或 i e e e 一4 8 8 接口用a s c 命令来程控它。p p c 2 + 可在o - 1 5 0 0 p s i ( i o m p a ) 范围内用绝压或 表压方式来测量和控制压力。 3 3 2p p c 2 + 压力控制器校准器主要技术指标 电源要求：8 5 - 2 6 4 v a c ；4 7 4 4 0 h z ，最大功耗3 0 v a 使用温度范围：1 5 3 5 度。 放置温度范围：一2 0 7 0 度。 抗振性：符合m i l t - 2 8 8 0 0 d 标准。 重量；1 2 7 k g 。 外形尺寸：1 8 c m * 3 2 c m * 4 0 c m ( 高宽长) 。 微处理器：摩托罗拉6 8 3 0 2 ，1 6 h z 。 通讯口：r s 2 3 2 ( c o m l ，c o m 2 ) ，i e e e 一4 8 8 2 。 压力量程：从真空到i o m p a ( 1 5 0 0 p s i ) ，采用双传感器的p p c 2 + 每台可达6 个 量程，底板上有一个精密压力计。 测压介质：洁净、干燥、无腐蚀性气体。 压力连接：气源1 8 n p t ( 美国标准锥管螺纹，阴螺纹) ，测试( + ) ( 一) 排气端均 为1 4 n p t ；大气参考端通大气。 p p c 2 + 可在绝压和表压方式下测压、量程可多达6 个，使用一个高精度参考压 力传感器r p t 有3 个量程，使用2 只r p t 就有6 个量程，它底板上还有一台精密大 气压力计，所有量程大于2 0 0 k p a 的绝压r p t 都使用一个排空的、永久密封的参考 四川大学硕士学位论文 作为绝压参考面、绝压r p t 可测表压和绝压。当测表压时，底板精密大气压计动态 补偿大气压力值的变化，表压r p t a 不能测绝压。 3 3 3p p c 2 + 压力控制器校准器的接口 3 3 3 1c o m l 接口 p p c 2 + 的r s 2 3 2c o m l 接口位于其后面板，作为一个数据通讯设备驱动器它是一 个9 针插入式d b 一9 f 连接口，数据由2 针脚输出3 针脚输出，它可以用一个“针一 针”d b 一9 m 接头通过d b - 9 f 电缆连接到计算机上。它不支持( 或不需要) 通讯握手。 c o m l 缓冲区能接收8 0 字节，如果你传送数据太多溢出了这个缓冲区数据将会 丢失，因此你一次只能送一个程序信息命令，在送下一个命令之前必须等待前一个 命令的回答。 表3 2p p c 2 + c 咖1d b - 9 f 针脚组成表 p p c 2 + c o m ld b - 9 f 针脚组成 针脚号功能 定义 2发送数据此针脚从p p c 2 + 向计算机发送一系列数据 3接收数据此针脚从计算机接收一系列数据 5 返回信息此针脚是传送2 、3 针脚的返回信息 表3 3