基于虚拟仪器及PXI技术的传感器标定

第２７卷第２期２００６年３月

工程热物理学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＨＥＩ：ＩＭＯＰＨＹＳＩＣＳ

Ｖｏｌ２７．Ｎｏ．２

Ｍａｒ．，２００６

基于虚拟仪器及ＰＸＩ技术的传感器标定

付经伦１，２周嗣京１刘建军１

（１中国科学院工程热物理研究所，

摘要

北京

１０００８０；

２．中国科学院研究生院，北京１０００８０）

为了借助虚拟仪器技术实现对叶轮机械再种测试技术的集成，本文将虚拟仪器及ＰＸＩ技术运用于传感器的标定

巾。文中阐述了基于虚拟仪器及ＰＸ［技术的传感器静态特性标定系统的结构、标定方法、数据处理以及被标定传感器的静态特性指标，并与传统仪器组成的标定系统进行了比较．结果表明，基于虚拟仪器厦ＰＸＩ技术的传感器静态特性标定系统，比用其它手段更精确、快捷和方便，为虚拟仪器在叶轮机械试验测试中的进一步应用打下了基础。关键词虚拟仪器；ＰＸＩ技术；传感器静态特｜生；标定系统中图分类号：ＴＰ２１２

文献标识码：Ａ

文章编号：０２５３—２３１Ｘ（２００６）０２—０２２３４）３

ＳＥＮＳｏＲＣＡＬＩＢＲＡＴＩｏＮＢＡＳＥＤｏＮＶＩＲｌｌＵＡＬ

ＡＮＤＰＸＩＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ

ＦＵＪｉｎｇ—Ｌｕｎｌ”ＺＨＯＵＳｉ－Ｊｉｎ９１

ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ

ＬＩＵＪｉａｎ—Ｊｕｎｌ

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｌｉｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ；１０００４９，Ｃｈｉｎａ）

ｕｓｅｄ

ｉｎｔｍ＇ｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ

ｏｎ

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

２

ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｅｒｍｏｐｈｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｉｃ

ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓＪＢｅｉｊｉｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｔｅｓｔｒｎｅｔｈｏｄ

ｓｅｎｓｏｒ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｂｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂ∞ｅｄ

ｖｉｒｔｕａｌ

ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＰＸｌｗａｎｂｕｉｌｔｕｐ．Ｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｄａｔａｐｔ‘ｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｇｅｔｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｄ

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ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＰＸＩａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｔｍ＇ｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．

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ｔｏ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｍｎｅｎｔ；ＰＸＩｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

１前言

同组成的测控系统。虚拟仪器最大的特点是可以通过编制不同测试功能的软件来实现传统仪器的某些硬件功能或扩展仪器的功能，从而使之具备应用的灵活性和功能的可重构性。虚拟仪器作为现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，正成

在各类试验研究中，用丁测量传感器输出电信号的仪器，大体可分为三代：传统仪器、智能仪器

和虚拟仪器。传统仪器包括以指针显示测量结果的

模拟仪器和借助于单片机设计、以数字方式输出测

量结果的数字仪器。传统仪器的功能由仪器厂商定

为测量与控制领域的重要应用工具忡Ｊ。

试验测量中，对传感器的标定工作是进行测量

义，因而功能卜有很人的局限性。智能仪器内置微处

理器，具有较强的功能，但由于其功能块以硬件（或

的第一步，也是至关苇要的一步。本文将虚拟仪器技术运用到传感器的标定中，既有利于提高标定过程本身的自动化程度，又为后续试验中虚拟仪器的应用打下基础。文中标定系统的软件设计，采用Ｎ工公司推出的开发软件ＬａｂＶＩＥＷ编写完成；硬件方面，

以ＰＸＩ技术为平台搭建起ｒ测量系统。ＰＸＩ（ＰＣＩ

固化的软件）形式存在，开发应用缺乏灵活，并且价格昂贵。虚拟仪器（ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，即ＶＩ）是美

国仪器公司（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏｒｐ，即ＮＩ）１９８６

年提出的，由计算机、解决信号输入／输出的硬件

接口模块和用于数据分析、过程通讯的软件三者共

收稿日期：２００５－１２—０Ｌ；修订日期２００６－０１—９６

基盒项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ５０３３６０５０）

作者简介：付经伦（１９７９一），女，河北石家庄人，博士生，主要从事叫轮机械气动热力学的研究工作

万方数据　

Ｔ程热物理学报

２７卷

ｅＸｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒ

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）通过在ＰＣＩ核心技件是样本值。ｔ，ｚ２，…，ｚ。中不含有带过失误差的数术上增加了用于多板同路的触发总线和参考时钟、据。如果样本值含带有过失误差的数据，则应将其

精确定时的星型触发总线、相邻模块间高速通信的

舍去［“。

局部总线等，将ＰＣ机较高的性价比与ＶＸＩ模块化

ＰＸＩ测量系统从硬件设计上确保了测量的准确

的优点结合起来，成为虚拟仪器测量平台的主流。

干牛，通过编写的ＬａｂＶＩＥＷ程序设置其采样速率为

２标定系统的构成

２５００

Ｈｚ，采样点５０００，并对测试样本值进行１０

Ｈｚ

低通滤波。实践证明，用低通滤波法处理后的测试本文将由传统仪器组成的标定系统与基于虚拟

样本值是不带有过失误差的数据，可满足求平均值

仪器和ＰＸＩ技术的标定系统进行对比，两种系统的的要求。

结构框图分别如图１和图２所示，其中各仪器具体

３．２回归方程系数的确定及拟台精度的判断介绍如下：

传感器静态标定的目的是确定输入量。与输出压力计

为传感器标定提供高精度的、稳定的

测量值Ⅳ间的关系，求出描述其传递静态量特性的

静态标定曲线Ｙ＝，（ｚ），从而得到表征其静态特性文中所用压力计是国家标准计量局计量仪器厂生产的指标。

的Ｗ－８０型标准水柱压差计和活塞式真空压力计，传感器是线性系统，但在测量系统中，传感器

两者精度都达到万分之五。其中水柱压差计提供的

变送系统包括传感器、数据调理器、数据采集卡等

压力范围为表压３０００～ｉ００００Ｐａ，活塞式真空压力环节。考虑到各种参数的影响，分别应用线性方程汁提供的压力范围为表压ｉ００００～３００００

Ｐａ。

Ｙ＝口１＋ｂｌ∞和二次方程Ｙ＝Ⅱ２＋ｂ２ｘ＋Ｃ２２２来拟合

被标传感器

美国Ｋｕｌｉｔｅ公司生产的贴片式绝

输入量ｚ与输出测量值Ｙ间的函数关系。

对压力传感器，传感器型号为ＬＱ一０６２系列，输出信

回归方程的系数用最小二乘法来确定，其基本号为模拟信号。

含义为测量数据与回归方程计算值问的残差平方和ＰＸＩ测量系统

测量系统包括ＰＸＩ．ＩＯＩＯＰＸＩ／

最小ｌ“，即

ｎ

Ｑ＝＞：（玑一＾）２＝最小

ｉ－－ｌ

数字电压表ＨＰ３４５６Ａ数字电压表。

．

式中，Ｙ。为第ｉ点的测量值；＾为第ｉ点回归方程

标定时，压力计为被标传感器提供压力信号，

的计算值。

回归方程的拟合精度用均方差（Ｍｅｔａｌ

Ｓｑｕａｒｅ

Ｅｒｒｏｒ，即ｍｓｅ）束表示【５Ｊ，均方差在总体上反映

藉鼠

了测量值玑以回归曲线为中心的散布情况，均方差较小时表示Ｙ；较为密集在回归曲线两侧，说明回归方程拟合精度较高。

．ｎ一１

ｕｓｅ＝三Ｆ（＾一Ｙｉ）２

“葛

３．３静态特?｜生指标

表征静态特性的指标主要有线性度、滞后度和灵敏度等，其计算公式及含义如下【６】：

图１基于虚拟仪器和ＰＸＩ图２由传统仪器组（１）线性度为测量值相对于拟合直线最大偏差技术的标定系统结构图

成的标定系统结构图

口，线性误差由下式得到：

线性误差＝三×１００％＾

式中，Ａ为满量程输出。

测试的日的是为了获得被测量的真值Ｍ。但

（２）滞后度是衡量滞后现象的指标。所谓滞后现

象指的是当输入量由小增大和由大减小时，对于同

一个输入值，得到不同的输出值。滞后度的计算公”：；

式为：

Ⅳ

滞后度＝等×１００％

万　

方数据压力信号，从而有利于减少系统误差和随机误差。本ＳＣＸＬ混合机箱，ＳＣＸＩ一１５２０信号调理模块，ＰＸＩ一６２２０Ｍ数据采集卡。

对于基于虚拟仪器和ＰＸＩ技术的标定系统，传感器一的输出端连接到ＰＸＩ机箱上的信号调理器上，运行

编写的ＬａｂＶＩＥＷ程序，传感器输出信号经ＰＸＩ测

量系统采集并传输到计算机中保存下来；对于由传

统仪器组成的标定系统，则需人工记录数字电压表显示出的传感器输出信号，并输入到计算机中。

３静态特性试验数据处理方法

３．１测试数据处理

是，由于测量手段的限制，Ｍ是测不到的。＿般取

样本值ｚ１，ｚ２，…、ｚ。的算术平均值虿＝二＞、ｚ。作

为真值Ｍ的估计值Ｍ。然而，这样处理的前提条

２期

付经伦等：基于虚拟仪器及ＰＸｌ技术的传感器标定

Ｈ为最大滞后量。

（３）灵敏度是测量系统输出的变化量△Ⅳ与输入变化量△ｚ的比值。灵敏度的计算公式为：

灵敏度＝瓦Ａｙ×１００％

４

ＬａｂＶＩＥＷ程序

编写的ＬａｂＶＩＥＷ标定程序包括两个部分：标

定数据采集以及静态特性分析。

（１）采集数据时，首先在标定数据采集程序前面板上输入压力计施加的压力值，选择测量数据要存入的路径；运行程序，程序将采集所有传感器在该输

入下的５０００次采样点，并由图形框显示出每只传感

器５０００采样点的数值；同时计算出５０００个采样点的算术平均值，最后将之保存在已指定的路径下。

（２）在静态特性分析程序前面板上，分别指定当

输入压力值由小变大和由大变小时，得到的前进文件和回程文件的路径。运行程序，选择传感器，前面

板上将显示该传感器线性回归和二次回归方程的系

数，以及对碰的静特性指标值。

５标定数据及静态特性

图３为环境大气压力ｌ００３ＭＰａ下，ＰＸＩ测量系统和数字电压表测量数据及通过最小二乘法得到拟合曲线。

＞＼

宴

蚓

岳

压力／Ｐａ

图３标定数据及标定拟合曲线

由ＰＸＩ测量系统测量数据求得的拟合方程线性回归方程

Ｙ＝７１９９×１０

４。＋７１．４１

／Ｙｔｓｅｌ＝８９９×１０

５

二次回归方程

Ｙ＝９．６６×１０—９ｘ２＋７１．７０ｘ１０—４ｘ＋７１．２７

７ＴｔＳｅ２＝２９０×１０

５

万　

方数据由数字电压表测量数据求得的拟合方程：线性回归方程

Ｙ＝７１９５×１０—４ｚ＋７１．３１

ｆ３）

ｍｓ。ｌ＝７．４６×１０—５

二次回归方程

Ｙ＝７．２３×１０—９２２＋７１．７３×１０—４ｚ＋７１３２（４）４

ｍｓｅ２＝４０５×１０—５

基于虚拟仪器和ＰＸＩ技术的标定系统及由传统

仪器组成的标定系统静态特性指标如表１所示。

表１静态特ｒ｜生指标

线性

线性

最大滞后

滞后

灵敏

度（ｍＶ）误差％量（ｍＶ）

度％

度

数字屯压表ｏ０１５７６

ｏ．０７ｏ０２８５０Ｏ

１３

０．００７１９５ＰＸｌ

００１５５３

０．０７０．０１９３３０．０９

Ｏ．００７１９９

比较两种标定系统拟合得到的回归方程及对应的均方差，可知由传统仪器组成的标定系统的线性回归方程精度略高于基于虚拟仪器和ＰＸＩ技术的标

定系统，但后者二次回归方程的拟合精度却大于由

传统仪器组成的标定系统。这说明基于虚拟仪器和

ＰＸＩ技术的标定系统输入量ｘ与输出的测量值Ｙ间

的函数关系更接近二次函数关系。尽管两种标定系统二次回归方程拟合精度都较线性回归方程的高，

但考虑到回归方程中铲系数很小以及求解的复杂程度，因此仍然可以用线性回归方程作为标定系统的拟合方程。由表ｌ可见，两种标定系统的各项静特性指标相差不大，说明ＰＸＩ测量系统的精度与数字

电压表的精度比较接近。

６结论

传感器标定数据处理结果表明，使用ＰＸＩ测量系统的传感器标定相对于使用传统的数字电压表进

行标定所引入的系统误差相差不人。但ＰＸＩ测量系统能使传感器的标定工作史为简单、快捷，同时标定出的结果更便于进行实时数据处理。

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［６】雷振山ＬａｂＶＩＥＷ７Ｅｘｐｒｅｓｓ使用技术教程北京：中

国铁道出版社，２００４

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基于虚拟仪器及PXI技术的传感器标定

作者：

作者单位：付经伦， 周嗣京， 刘建军， FU Jing-Lun， ZHOU Si-Jing， LIU Jian-Jun付经伦,FU Jing-Lun(中国科学院工程热物理研究所,北京,100080;中国科学院研究生院,北

京,100080)， 周嗣京,刘建军,ZHOU Si-Jing,LIU Jian-Jun(中国科学院工程热物理研究所

,北京,100080)

工程热物理学报

JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS

2006,27(2)

2次刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(6条)

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引用本文格式：付经伦.周嗣京.刘建军.FU Jing-Lun.ZHOU Si-Jing.LIU Jian-Jun 基于虚拟仪器及PXI技术的传感器标定[期刊论文]-工程热物理学报 2006(2)