基于虚拟仪器的力传感器的自动检定系统设计
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摘 要：根据力传感器的检定工作原理，设计出一个自动检定系统。该系统运用虚拟仪器技术，实现了对静重式力标准机的自动控制、自动采集检定数据、自动对数据进行分析计算并生成检定记录等功能。该系统能够提高效率检定工作的效率、降低人员的工作强度。
关键词：力传感器；虚拟仪器；力标准机；检定
引言
力传感器是一种将力值转换成电信号的传感器，它测量用于测量金属材料的力学性能的试验机，所以它对工业生产和科学研发来说很重要。在长期的工作中，力传感器的力学特性受环境的影响发生变化，所以需要对力传感器的力学性能进行检定。在以往的检定工作中，检定人员一般都是手动检定、人工读取和计算检定数据。为了提高检定工作的效率和准确率，减少人为因素带来的误差。可以采用虚拟仪器技术设计出一个力传感器的检定系统，实现对力标准机的自动控制、检定数据的自动采集、处理和储存等功能。
1 检定系统的硬件构成
静重式力标准机：静重式力标准机是一种精度最高的力标准机[1]。理论上，通过这个砝码产生的标准力就可以对传感器进行测试和检定[2]。本此设计用到的静重式力标准机的规格为（0～100）kN，准确度等级为0.01级。
工控机：通过工控机上的LabVIEW软件来驱动各部分硬件，从而实现检定系统的数据采集、处理、显示和砝码控制等功能。
PLC：本次设计采用三菱的FX3u系列PLC，可利用RS-232协议实现与工控机软件部分之间的数据通信[3]。PLC为工控机提供砝码托盘的位置，并将工控机的控制信号作用于砝码托盘电机，实现砝码的加/卸载。
旋转式编码器：将砝码托盘上升/下降的位移信号转成电脉冲的数字信号送入PLC中。
2000标准负荷测量仪：测量仪表是采用RS-232协议与力传感器、工控机进行通讯，将检定数据送入工控机中。
打印机：负责打印记录表格和检定证书。
2 系统的软件开发
2.1 系统主程序的设计
本次设计的软件开发采用的是虚拟仪器的LabVIEW开发平台。LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境[4]。力传感器检定系统软件的主控程序如图2所示。首先登陆系统，在进入工作界面后，保证检定从零负荷开始工作。然后设定检定项目，检定项目分为非线性检定和蠕变检定[5]，根据设定的检定项目来确定检定点数、次数和砝码加/载后的等待时间。设定完毕后，检定系统自动进行砝码的加/卸载工作，并对检定数据自动进行处理。最后，根据检定数据进行分析计算，并生成检定记录的表格和证书，将之打印出来，完成检定工作。
2.2 系统的通讯模块设计
在编写数据通讯模块时，首先需要在PLC中编写程序，此程序实现与工控机的通讯。例如配置通讯格式，还有定义置位PLC中的控制电机正/反转的中间继电器的指令。然后在工控机中编写相应的通讯模块式，该程序模块通过LabVIEW平台中的VISA串口子函数来实现通讯功能。设置数据长度为8位、偶校验、停止位1位、波特率9600b/s。“VISA读取”函数负责采集PLC采集到的砝码托盘位置信号。电机正/反转的命令通过“VISA写入”函数传到PLC中，完成对砝码电机的控制。
2.3 系统的人机界面设计
在显示数据表格的控件上设置四列，第一列显示每个检定点需要加/卸载砝码的级数，剩下三列分别用来显示完成三次进回/程检定工作的被检数据。数据表格旁为砝码加/卸载的显示控件，能够能实时地观察到砝码的加/卸载工作。
2.4 数据处理模块的设计
在工作完成后，可根据规程提供的公式，对检定数据计算出重复性R、直线度L、滞后H、长期稳定性S等技术指标。如果需要蠕变检定，还要算出蠕变Cp和蠕变恢复Cr。
3 结束语
本次设计的力标准机自动检定系统在软硬件方面，通过虚拟仪器技术实现工控机与PLC、2000标准负荷测量仪的通讯；自动加/卸砝码；自动采集力传感器的检定数据；对采集到的检定数据进行分析、计算和保存，并生成检定记录。经测试证明，该检定系统相对于传统的力传感器检定工作不仅提高了效率，而且保证了检定结果的准确性。另外，该检定系统稍加改进，便可以适用于不同型号/规格的静重式力标准机完成对力传感器的检定工作，兼容性较强。
参考文献
[1]张智敏，张跃，周宏，等.全自动1MN静重式力标准机[J].计量学报，2008，29（1）：65-68.
[2]施昌彦.现代计量学概论[M].北京：中国计量出版社，2003.
[3]张桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008：224-228.
[4]Johnson G W，Jennings R.LabVIEW graphical programming[M].McGraw-Hill Companies，2001.
[5]赵守忠，夏勇.传感器技术及应用[M].北京：中国科学技术出版社，1997：59-63.