基于智能压力传感器系统设计

保定理工学院本科毕业设计基于智能压力传感器系统设计摘要压力传感器是工业实践中最常用的传感器，涉及机床、生产自控、智能建筑、铁路交通、航天、船舶、石油化工、电力、军工、水利水电等众多行业，应用范围广泛。这个试验台是一个智能压力传感器系统，依靠虚拟仪器LabVIEW平台搭建虚拟实验平台，它可以模拟各种工况下的压力变化，对压力传感器的性能进行测试和评估。在工业生产中，压力传感器的准确性和稳定性对于生产过程的控制和质量保障至关重要。通过数据采集卡以及转速扭矩仪对实验所需的各项数据进行采集，如压力、流量、转速、扭矩、温度等；通过PLC对液压泵转速，阀门开闭等进行控制，从而完成智能压力传感器系统的性能检测试验。因此，本文研究的压力传感器对复杂条件下压力参数的测量有一定借鉴意义。关键词：智能；压力传感器；西门子S7-200目录TOC\o"1-3"\h\u9338引言 19531第1章智能压力传感器系统总体结构设计 2165891.1智能压力传感器测试系统需求分析 264041.2智能压力传感器系统的总体设计 216969第二章智能压力传感器系统硬件设计 4227012.1传感器选型及工作原理 4100052.1.1转矩转速传感器 4283082.1.2温度传感器 524682.1.3压力传感器 517272.1.4流量传感器 6316732.2数据采集设备选型 746972.2.1数据采集设备 7323862.2.2信号调理装置 7142962.3PLC控制器选型 8103912.3.1PLC的基本原理 8321342.3.2PLC的选择方案 8207032.4变频电机选型 1018773第3章智能压力传感器系统软件设计与测试 1134933.1软件设计 11266403.1.1数据采集程序设计 1144603.1.2PLC控制程序设计 1280503.2主控界面设计 15315503.3系统的测试 17106733.3.1测试准备 1778133.3.2测试结果 1711886结论 199913参考文献 2011315致谢 21保定理工学院本科毕业设计引言本文旨在探讨压力传感器在智能化和信息化的“工业4.0”中的重要作用，并基于PLC设计智能压力传感器系统。压阻式MEMS压力传感器由于技术成熟，在价格上具有竞争力，结构简单、读出电路容易设计等优点使其比电容式和压电式传感器更有市场优势。然而，此类传感器的输出信号不便于直接处理，因此研究专用集成电路来处理其输出信号具有十分重要的意义。本文提出基于PLC设计智能压力传感器系统的思路，通过PLC的高集成度、高性能和高可靠性，解决了传统读出电路的集成度、性能和可靠性问题。该系统具有智能化、自动化和高精度的特点，可以广泛应用于工业生产和医疗领域。这个试验台是一个智能压力传感器系统，依靠虚拟仪器LabVIEW平台搭建虚拟实验平台，它可以模拟各种工况下的压力变化，对压力传感器的性能进行测试和评估。在工业生产中，压力传感器的准确性和稳定性对于生产过程的控制和质量保障至关重要。因此，对于压力传感器的测试和评估需要高精度、高可靠性的测试设备。智能压力传感器试验台的出现，为压力传感器的测试和评估提供了一种高效、精准的解决方案。该试验台可以模拟各种复杂的工况，如高温、高压、低温、低压等，对压力传感器的性能进行全面的测试和评估。同时，该系统还具备自动化控制和数据采集功能，可以实现对测试过程的全程监控和数据分析，提高测试效率和数据可靠性。因此，智能压力传感器试验台在工业生产中具有广泛的应用前景和市场需求。本文的研究成果对于推动压力传感器的进一步发展具有重要的意义。第1章智能压力传感器系统总体结构设计1.1智能压力传感器测试系统需求分析本文所研究的智能压力传感器系统，包括：（1）平台易于搭建和扩展。该设计在实验室的测试中，在软件、硬件平台上尽可能地采用模块化、标准化的设计方法，并在开发过程中充分利用现有的资源，并考虑到系统的后期扩充能力。（2）测量控制管理。它可以根据压力传感器的工作原理及检测要求，通过程序编程来实现程序控制，并能自动采集电容数据。（3）数据显示和存储。在测量时，系统应该具备重要数据的可视化功能，能够在测试结束后进行数据的转换和存储。（4）具有良好的可操作性。在设计人机接口时，必须遵循易于使用的原则，软件的逻辑结构要清楚，便于操作人员的使用；（5）要求系统能够为智能压力传感器加载20-120kPa的压力，加压稳态误差控制在±0.5kPa以内；能够记录差动压力传感器输出电容的动态变化；微小电容检测系统应能检出0.01pF的电容变化。1.2智能压力传感器系统的总体设计本智能压力传感器系统，依靠虚拟仪器LabVIEW平台搭建虚拟实验平台，通过数据采集卡以及转速扭矩仪对实验所需的各项数据进行采集，如压力、流量、转速、扭矩、温度等；通过PLC对智能压力传感器系统转速，阀门开闭等进行控制，从而完成智能压力传感器系统的性能检测试验。其实验台构成如图2.1。图2.1智能压力传感器系统的构成图第二章智能压力传感器系统硬件设计2.1传感器选型及工作原理本系统传感器有转速扭矩传感器、温度传感器、压力传感器，这些传感器从测量对象处获得反映其变化规律的信号，再将检测到的信号通过转换放大电路转换成标准输出信号（4～20mA或0～5V）。2.1.1转矩转速传感器本文介绍了JZ转矩速度传感器的工作原理和应用。JZ转矩速度传感器是一种精密测量仪表，能够将转矩机械量转化为两个具有一定相位差的电压信号。该传感器能够对各类机械的转矩、功率、转速进行测量，具有测量精度高、测量范围广、操作简单等优点。在工业生产中，JZ转矩速度传感器被广泛应用于机械传动系统的监测和控制，能够实现对机械运行状态的实时监测和故障诊断，提高了机械设备的可靠性和生产效率。同时，该传感器还可以应用于航空、航天、汽车等领域，为相关领域的研究和开发提供了重要的技术支持。在压力传感器的测量中，转速和转矩的测量也是必不可少的，其速度对压力传感器的性能试验结果有很大的影响。此外，压力传感器的旋转速度对其他器件的正常工作也有一定的影响。所以在试验中压力传感器的工作状态通过速度、转矩等指标来判定。本试验所用的JN-DN型转动（动态）扭矩传感器。在此基础上，利用应变器电测技术，在弹性轴上构成应变桥，通过应变桥的电源，可以测得弹性轴上接收到的力矩的电信号，再通过信号的变换，使之成为与力矩成比例的频率信号。通过光电耦合器对转速进行检测，并对其进行相应的处理，将转速信号转化成脉冲信号供输出辨识。JN-DN转动力矩传感器的转矩和转速测定原理图3.1。图3.1JN-DN型旋转扭矩传感器扭矩测量原理图2.1.2温度传感器根据测量的原理，可以将温度传感器分为两大类：一种是热电阻，另一种是热电偶。温差电阻器对温度变化反应灵敏，具有广泛的温度辨识范围。但是由于受测温原理的限制，在长时间的使用下，其本身就会发热，造成不同程度的温度升高，所以测温的准确性并不高。而温差电偶则是通过热电效应来测量温度，这种效应使两个具有不同温度的导体或半导体触头之间的电路发生热电势，这种热电偶具有结构牢固、不易损坏、测温范围大、性能稳定、温度变化快等特点，因此得到了各个行业的应用。纤维带的最佳热黏结温度应达到400℃，从而提高了测温的准确度，从而实现对系统的精确控制。本文选择了安徽春晖测量仪的pt100A型热电偶传感器，并对其性能进行了分析。见图3.2：图3.2pt100传感器实物图2.1.3压力传感器压力是智能压力传感器性能试验的重要指标。各管道的压力能够比较直观地显示出液压设备的工作状态和工作状态。因此，在这个试验中，压力参数的检测非常关键，每个细节都必须被仔细地检验。本试验使用SUP-P300型压力变送器，该压力变送器选用进口压力灵敏、高精度、高稳定性的压力敏感元件。利用先进的微机械蚀刻技术，将四种高精度的温控电阻器分散在硅片上，构成了惠斯登电桥。该压力变送器的工作原理是：根据电压阻的作用，四桥臂的阻值发生改变，电桥失衡，传感器输出相应的电信号，经放大处理和校正电路的校正，得到相应于输入信号的电压和电流信号，实现数据的采集。图3.3SUP-P300压力传感器实物图2.1.4流量传感器本实验中，管道的流速也是一个很重要的试验指标。流量是压力传感系统工作性能的一个重要参数，因此必须对其进行精确的测试。在试验中，流量与转速、压力等之间存在着某种联系，以确保压力传感器的流量能够实时、精确地监控，是保证压力传感器的工作性能的先决条件。本文采用的流量传感器是MIK-DN100型液轮机流量传感器，它具有精度高、运动部件少、耐高压、测量范围宽、压力损失小、维修方便等优点。只要保证正确的安装和调试，就不会有任何的误差。液轮机流量传感器工作时，被测量的液体流经该传感器时，由于流体的流速，使其转动速度与管道中的液流速度成比例，从而将速度信号转化为相应的电信号，从而获得相应的流量信号。图3.4MIK-DN100液体涡轮流量传感器实物图2.2数据采集设备选型2.2.1数据采集设备典型的数据采集卡有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器、计时器等各项功能，这些功能分别由采集卡中各类相对应的电路实现。数据采集卡主要技术参数有以下几点：1）通道数：板卡可以采集几路信号，通常分为单端或者双端（差分通道）。2）采样频率：单位时间内从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数。3）缓存：主要存储AD芯片转换后的数据信号。4）分辨率：采样数据最低位所指的模拟量的值。5）精度：测量值与真实值之间存在的误差。6）量程：输入信号的幅度。7）增益：输入信号的放大倍数，通常分程控增益和硬件增益两种。8）触发：分为内外触发两种。根据本实验技术要求以及实验需求，所采用的数据采集卡为PCIE-1816/1816H，PCIE-1816/1816H是一款集成了数字I/O、模拟量I/O和计数器功能的16通道（达到5MS/s）多功能数据采集卡。PCIE-1816/1816H支持模拟量和数字量输出，拥有2路16位波形生成的模拟量输出，24个可编程数字I/O通道和2个32位通用定时器/计数器。实验准备前期，需要进行数据采集卡的安装测试，实验者可将PCIE-1816板卡安装插入计算机的任一PCIE卡槽中。2.2.2信号调理装置数据采集系统中的信号处理设备，通过信号处理设备将传感器输出的各种信号转化为不同的信号，然后输入到计算机的软件接口中，在信号的转换和传递中，克服了各个设备和地面的电位差异。传感器的输出信号经过调整，对信号的传输、分析和处理都有很大的帮助，传感器的输出信号一般比较小，因此要进行信号的传输和识别。在工业生产、机械工程、试验等领域，一般传感器的输出信号都比较小，必须借助信号调理装置来实现。此外，由于传感器的输出信号中含有各种不同的干扰，因此必须对其进行滤波，以提高其有效成分。该系统使用PCLD-8710信号处理设备，能够对各种类型的数据进行高效的处理。因为这种接线板采用了特殊的电路板设计，这种接线板的特点是可以建立一个信号调节电路，可以把电阻、电容等安装到指定的地方，使得信号调理电路更加容易。2.3PLC控制器选型2.3.1PLC的基本原理PLC是通过扫描的运作方式来执行程序的控制核心，如图3.5所示，PLC的运行大致分为以下三个步骤。图3.5PLC工作原理图（1）输入采样阶段。上面所示的第一个阶段是输入取样，在此期间，PLC会对机器人进行各种数据的采集，并将所读取的数据存储到PLC的I/O映像区。步骤结束后PLC将进行到用户程序执行阶段。（2）用户程序执行阶段。这一步PLC将按照一定的次序进行扫描。每个梯形图形按照一定次序扫描，通过读出和计算由每个接触点组成的控制线路，根据读出和识别的结果来更新系统中的逻辑线圈的瞬间状态，或刷新输入/输出区域中的输出线圈的状态，或判断是否要执行由梯形图请求的指令。（3）输出刷新阶段。PLC在上一个程序结束后，自动地进行输出更新。在这个阶段，CPU基于保存在输入/O图像区域中的状态和操作数据，对已读到的全部存储的输出进行更新，并利用已编好的编程实现对机器人各关节轴线的控制。由此可以看出，PLC的扫描操作模式是瞬时性不好的，其输入与输出信号的逻辑关系存在一定的时差，并且随着PLC的扫描时间的延长，产生的延迟也会越来越大，进而影响到系统的响应。除以上三个步骤之外，还需要一些时间来进行系统管理。2.3.2PLC的选择方案由于PLC的生产厂家众多，其产品的性能和品质也是千差万别，而同一家厂家生产的PLC产品也是千差万别，PLC的质量与性能将直接影响到机器人的工作效率和使用寿命。当今世界著名的PLC生产商中国A-B公司、日本三菱公司、美国通用电器、德国西门子公司，他们开发了大量的PLC，使其具有良好的性能和良好的控制能力，为工业机器人的发展和发展起到了巨大的作用。（1）A-B公司的PLCA.B公司是世界上最著名的PLC制造商。20世纪90年代，美国PLC市场上，A-B公司的PLC产品占有很大的市场份额。A-B公司研发的PLC应用范围非常广泛，能够满足不同厂家的需求，因而在全球范围内都受到了广泛的欢迎。A-B公司的PLC控制指令非常精细实用，包括数字转换、信息检测、逻辑操作等。PLC-2~PLC-5系列PLC还具有定时、数值比较、文件传输、浮点操作等功能。Logix5555的控制器，可以完成读取、伺服驱动、动作控制等功能，非常适用于高端的工业机器人。但A-B公司的PLC系统也有很多缺陷，比如软硬件质量太差，软件工具比较简单，不容易升级，成本也比较高。（2）日本三菱公司的PLC三菱是日本最大的PLC制造商。本公司研制的PLC体积小，结构紧凑，价格低廉，但是其控制效果很好，是中小型企业中、低端机器人的主要控制中心。经过这么多年的发展，三菱公司的机器人虽然体积不大，但功能却是越来越强，而且还具有很强的扩展性，可以让它们的性能得到极大提高，在很多公司中都是如此。三菱PLC现在的发展趋势是越来越多样化，不仅在硬件上有了更好的表现，而且编程工具和语言也变得更加的灵活，可以为大型的工业机器人编写复杂的代码，也可以用来编写一些简单的机器人。在三菱PLC的开发中，主要使用梯形图、函数图、语句表等编程语言，以及高级PLC的指令控制。同时，三菱PLC也顺应了时代潮流，着重提高了PLC的通讯适应性，使其能够提供多种可编程控制器的通信协议，具有广泛的应用前景。三菱最近几年又引进了一种新型的FX系列PLC，该系列PLC除了具有模拟量控制功能外，还加入了许多功能各异的控制命令，优点明显。三菱PLC的强大之处并不在于硬件，而是在于提供与PLC相匹配的硬件设备，比如伺服电机、伺服电机等，通过这种结合，既可以充分发挥PLC的作用，又可以极大地提高系统的性能，为日后的升级和改造提供便利。（3）德国西门子公司的PLC德国西门子公司是一家具有悠久历史的PLC制造商，其PLC的产品品质优良，其应用范围也很广，涵盖了机床、机器人、电力设备、环境保护设备等所有与自动化有关的行业。S7-200微处理器S7-200是90年代初德国西门子公司为小型工业项目客户开发的一款微型单片机，结构紧凑，功能不强，但也能满足小型自动控制系统的需求，价格也是同类产品中的佼佼者，被广泛应用于中小型自动化系统。其编程结构在同类型软件中处于领先地位，其寻址方式灵活方便，并具备PID参数自动调整等诸多优势，运行稳定，操作简单。但其弊端也很明显，即输入输出点数相对较低、计算精度较低、可扩充的模块数量较少。针对该系统的特点，选择了西门子S7系列PLC及相应的模块，并对其进行了详细的分析。西门子S7系列PLC体积小，运行速度快，并能进行网络通信，可靠性高，稳定性好，是众多PLC中较为耐用的一种。本课题所使用的PLC是西门子S7-200系列的增强型西门子S7-200型SMART产品。2.4变频电机选型该试验所用的电机为YVF型变频调速电机，它是一种交流节能变频调速电机，并与变频变频器结合，是机电一体化的新产品。该变频电机振动小、结构简单、起动转矩大、起动电流小、工作平稳、噪声低、应用广泛、工作可靠。变频电机把普通电机风扇改造成了单独安装的风扇，电机线圈的绝缘性能比原来的电机要好。本试验中使用的风扇是一种用于变频调速电动机的轴流风扇，它的应用范围很广，结构也很简单。第3章智能压力传感器系统软件设计与测试3.1软件设计3.1.1数据采集程序设计数据采集与分析是智能压力传感器性能试验中的一个关键环节，它是将高精度的传感器所采集的数据信号输入到计算机中，并将其转化为能够被主机所识别的信号。通过工业计算机，可以实时地显示智能压力传感器的各项性能试验结果，判断其在试验过程中可能发生的各种不正常现象和产品质量，为以后的控制工作打下了坚实的基础。利用LabVIEW软件实现了实验数据的采集。LabVIEW是美国NI公司开发的一种图形编程语言，其功能非常强大，在工业生产和学术机构中得到了广泛的应用，可以作为一个标准的数据收集和仪器控制程序软件。LabVIEW是一种被称作“G”的图形编程语言。当用此语言编写程序时，原来那些冗长的程序代码都被流程图或方框图所取代。该软件采用了图标和概念，为系统编程提供了方便的方法。利用该软件进行原理的研究、测试和设计，可以极大地提高工作效率。该试验数据的采集主要包括转速、扭矩等数据的采集，以及由PCIE1816/1816H数据采集卡采集的压力、流量、温度等数据。同时，收集到的资料也要保存下来，然后再进行分析和处理。压力传感器的测试与控制软件是压力传感器的基本软件，它的功能是收集各种测试数据，例如：转速、扭矩、压力、流量、温度等。在进行数据采集程序设计前，必须对采集程序和对象进行分析，以降低在设计时出现的无用误差。图4.1是一个数据获取软件的流程图。图4.１数据采集程序设计流程图3.1.2PLC控制程序设计PLC作为下位机不仅要接受上位机发出的控制信息，而且要对工业现场的底层检测设备进行实时的控制，因此，PLC程序设计时一定要满足系统的通信要求。在程序设计时，还应考虑当实验发生故障时，系统的实时处理功能，确保系统可以安全可靠地运行。如图4.2为PLC控制程序的设计流程图。通过流程图可以清楚地知道全部控制程序设计的过程及相应要求，在此基础上进行程序编写将更加容易。图4.2PLC控制程序设计流程图利用PLC编程之前需要预先设计I/O符号及地址，本实验设计分配的部分通信接口地址如图4.3。图4.3本实验PLC程序的I/O符号表在智能压力传感器测试实验PLC控制程序设计中，采用梯形图的模式来进行程序设计，这种程序语言简单易懂，更加直观地表达出所代表的程序。如图4.4为PLC控制程序的部分设计截图。程序编写完成且复查无误后，将所编写的程序接入PLC，进行程序调试，在调试过程中，要时刻对实验中的全部物理量进行实时检测，如果出现问题，可以及时进行修改。图4.4PLC程序设计梯形图3.2主控界面设计本实验主控界面的设计由LabVIEW进行编写，实验台主控界面是实验操作者与智能压力传感器性能测试实验台的交互平台，实验操作者可以从主控界面直观地接触到实验的各项实时数据，并对实验过程做出调整，包括系统的启停，变频电机的转速调整，油路各阀门的开度调整等，实验者可根据实验要求，自行调整实验过程。其中，智能压力传感器性能测试实验台的主控界面如图4.5所示。图4.5主控界面视图实验开始后，可自行设置数据保存地址，主控界面上方可以自行选择存储位置，对实验中所得数据进行保存。同时，左侧数据可实时监控实验台各项数据，波形图可以更加直观地显示实时波动。右侧为实验控制按钮，主要对电机转速，阀门开闭以及开度大小进行控制。3.3系统的测试3.3.1测试准备在进行系统试验之前，必须做好充分的准备工作，这样才能保证以后的试验能够顺利进行。通过试验前的准备工作，包括安装系统软件、连接各个硬件、检查仪器设备是否正常等。在进行试验前，必须实现LabVIEW和PLC的通讯，因此本文采用OPC通讯的方法进行了试验。OPC的主要作用是连接工业计算机应用与现场工艺控制的应用。以往，每种软件都要求使用专用接口来读取各种现场设备的各种数据。而由于现场设备数量庞大，所要读取的资料常常非常复杂，对使用者和设备来说都是一种巨大的负担。在这种背景下，OPC标准就产生了。OPC集成了过程方法和应用界面等多种功能，把工业计算机视窗的程序软件与实际工作物理层相连。在进行测试前，必须对智能压力传感器的性能试验平台进行校验，以保证试验的精度。按GB/T23253-2009标准，A、B级的精确度应用于特定的测试，因为本测试是在实验室中进行，相对于工业环境而言，其精度要求为B级。测试中使用的各种传感器都能达到测量的精度，但在测试时，由于其它因素的影响，也会对测试的准确性产生一定的影响。在此基础上，对系统流量、压力、转速等进行控制，对上位机接口的显示数据与数字显示仪表的一致性进行了分析，如果两者相符，系统的数据就会正确；如有差异，资料显示不相符，应做转换处理。在试验开始之前，让系统在额定转速和压力下连续工作一段时间，观察各指标是否正常，程序能否正常运行。观察压力，流量，转速等数据的偏差值，满足测试B类的精度要求。3.3.2测试结果本实验测试智能压力传感器的额定转速为1500r/min，本文选取1500r/min，700r/min作为研究数据，进行测试实验并对结果进行分析。由于实验室条件限制以及对人身安全的考虑，本测试实验压力值最高只限于10MPa。测试智能压力传感器在1500r/min，700r/min下效率试验数据如表4.1所示。表4.１效率试验数据表转速设定1500r/min700r/min压力流量实时转速压力流量实时转速11.608.17014992.873.84070122.208.17014983.963.83670133.208.16014974.603.83170144.508.15014975.103.82770056.008.15014985.903.82070067.708.13014986.903.808701该智能压力传感器的压力－流量变化曲线以及容积效率、总效率均符合智能压力传感器测试结果检测标准，由压力－流量曲线可知被测智能压力传感器系统流量随压力的升高逐渐递减，说明在压力升高时，流量损耗会有所增加；容积效率会随压力增加有所降低，总效率会随之增加，但是波动不大。因此，智能压力传感器系统工作时会选择适合的工作压力进行长时间运行。由结果分析可知，数据存在微小误差，但符合智能压力传感器效率试验相关数据原理。此结果验证了所作压力传感器测控系统的准确性。结论本论文首先综述了智能压力传感器测控系统的研究背景和研究意义，同时对智能压力传感器性能测试试验的需求进行说明，并对本系统的总体设计进行阐述。之后对实验台所用到的硬件部分进行选型说明，主要为传感器的选型、数据采集卡的选型、信号调理装置的选型以及PLC控制器的选型。之后进行了实验系统软件部分的设计，包括数据采集处理程序、PLC控制程序以及良好的人机交互界面的设计。在智能压力传感器性能测控系统软件上设计完成后，进行实验的调试运行，实现本实验的最初目的。

参考文献[1]TranAV,ZhangX,ZhuB.TheDevelopmentofaNewPiezoresistivePressureSensorforLowPressures[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2017,25(99