水位传感器自动测试系统及误差分析

现代计量测试1999年第3期水位传感器自动测试系统及误差分析
胡生清　左进　胡毅
(合肥工业大学精密仪器系,合肥　230009)
摘要:作为全自动洗衣机中重要组成部分的水位传感器,其传统测试系统一般都是低效和低稳定性的,针对这种现象,我们研制了一种新型的水位传感器性能测试仪,可以自动测试传感器各项性能,并以友好的界面面向用户。

本文对其自动检测系统进行了较为详尽的阐述。

关键词:水位传感器　气电模拟　信息处理　快速测频
0　引言
随着企业竞争日益激烈,家电行业提出“零缺陷生产”。

主导家电产品之一的洗衣机,其发展从简单的机械开关控制到现在的微机智能控制,可靠性、自动化程度都得到了显著提高。

但作为全自动洗衣机中重要组成部分的水位传感器,其传统测试系统一般都是低效和低稳定性的。

针对这种现象,我们研制了一种新型的水位传感器自动测试装置。

1　水位传感器的工作原理
模糊洗衣机的水位传感器和以前的全自动洗衣机的水位开关有着很大区别,它是膜片电感式原理的,可在全量程范围内通过频率连续变化量表示水位高低,且测量是连续的,并可由洗衣机的单片机读出频率值并控制水的用量。

水位传感器的工作原理如图1所示,图2为转换电路图。

图1　水位传感器工作原理框图图2　转换电路
洗衣机内水位变化通过空气导管传给传感器的橡胶膜片,使膜片产生位移,膜片位移带动铁芯上下移动,引起电感的变化,即图2中的∃L,然后由电感和电容构成的选频网络,将电感变化转换为频率变化,再经放大器深度负反馈,输出频率是水位的单值函数,波形为三角波,经施密特整形电路后成为方波。

2　测试方案
测试方案的基本设计思路如图3所示。

图3　系统原理框图系统由三条线路构成:第一条是压力标准测量系统,将所测压力信号经标准水位传感器、
转换电路转换成电压信号,再经模数转换,送入主机;第二条是由计算机和电磁阀控制,模拟洗衣机水位快速变化的压力生成和控制系统,为了防止干扰,信号要进行光电隔离;第三条电路是测频电路。

图4　压-频曲线水位传感器测量系统将测得的压力信号与测得的频率信
号相比较,建立起一一对应的坐标关系,画出压力-频率曲线
(图4),并将其与标准的压力-频率曲线形成的公差带(已存于
主机内)相比较,检查是否在公差带内。

保持给定的最高压力一
段时间,在显示器上观察压力值变化,如若超出设定公差带就
说明传感器漏气。

本测试系统用气室压力模拟水位变化,可在微机控制下实
现快速自动升降压力,且压力的特性(速度和范围)可调,用标
准水位传感器测量气室压力,转换成标准水位,从而实现水位的快速气电模拟和测量。

图5　程序流程图
3　软件设计及计算机处理
图5所示为水位测量的程序流程框图。

为了实现快速测频,采用如下的方法:将传感器转换
电路输出的方波信号分频,应用高频脉冲填充法,在信号
中插入高频脉冲信号,根据计数脉冲的个数获得信号的
脉宽,再转换成频率值。

整个测频时间只需若干毫秒的时
间,原理图如图6所示。

本系统以486微机为主机,C 语言编程控制系统实现
测量过程的自动化,系统快速、准确,操作方便,并最终在
CR T 显示器上显示各档水位、
水位差值、水位-频率曲线(由压力、压差、压力-频率曲线转换),同时可在10kPa
压力下测试水位传感器的漏气状况。

采用C 语言编程,可充分发挥其处理功能强、运算速
度快的特点,直接实现对系统硬件及外围接口的控制。

本
图6　测频原理图程序为下拉式菜单设计,主菜单为:(1)水位测量;(2)漏气测量;(3)测量结果显示;(4)标定和修正;(5)零点频率(压力为零时所对应的频率);(6)退出。

4　误差分析
411　温度变化
不均匀的温度场会引起元件电参数的变化或产生
热电势,从而产生误差。

受温度影响最大的是系统采用的压阻硅气电转换元件,虽在生产时已进行了误差补偿处理,但实验表明其温度误差仍较大,且不同压阻硅的温漂误差不同,可用标准件法求取补偿值来修正误差。

412　电源波动
通过对实验数据的记录处理,得知传感器输出变化∃U和电源波动∃E之间关系近似为:∃U =01014∃E。

413　气压波动
由于气压波动影响(波动为±012%),被测压力值与实际的压力值会有一些偏差。

标准水位传感器测量误差是011%,引起测量结果的误差为±7185Pa,可用差动法减小气压波动的影响。

414　非线性误差
因气路环节的非线性特性,在测量范围较大时,必然有非线性误差。

在不同测量范围内对实验数据作回归分析,得出产生最大非线性误差的测量点,再进行误差补偿。

415　量化误差
在测频电路中,应用高频信号进行插频计数时,对采样信号取量化等级值,进行了“四舍五入”,量化后的信号与原模拟信号之间有差别,即量化误差,差值为±1196Pa。

416　其他误差
其他误差主要包括电磁干扰、线间电容干扰等带来的误差。

5　结论
水位传感器自动测试系统的研制成功,较好地解决了三个技术关键,即水位的自动模拟和测量,压力、频率变换和频率快速测量及水位-频率曲线拟合,以及传感器的漏气测量。

它的测量精度高,测量速度快,效率高,具有长时间的稳定性,解决了水位传感器大批量生产厂商和用户生产线上对传感器质量全检中生产效率的矛盾,自投入使用以来,运行可靠,效果良好。

参考文献
1　谭福年编著1常用传感器应用电路1电子科技大学出版社,1996
2　董渭清,王换招主编。

高档微机接口技术及应用.1995
3　李大友主编.数字电路逻辑设计.北京:清华大学出版社,1996
(下转第45页)
上式中,左端的e(T1)、e(T0)均为可测量,而右端为B t的非线性一元函数。

在这种情况下,我们可采用对分法[3]求解得到B t,对分法的上、下界可定为[11001,10]。

将测量值T0、计算值B t代入式(11),就可求出过阻尼检波器的自然角频率Ξ0。

最后,将T0、B t、Ξ0代入式(8),经过数学推导,我们可得到检波器灵敏度的计算公式
C m e=
mΞ0B2t-1e(T0)
I0 sh(Ξ0B2t-1T0)e B tΞ0T0
1
2
(15)
3　结 语
本文给出了基于直流激励的两点法测量过阻尼动圈式地震检波器的原理和操作,这种方法的正确性和有效性已经得到了实际验证[1]。

参考文献
1　王力.过阻尼地震检波器的测试方法研究:[学位论文].西安:西安石油学院,1998
2　付小宁,石金成,冯旭东等.直流激励法测定动圈式检波器灵敏度的溯源性研究.西安矿业学院学报,1998,18
(3)
3　许士良编.C常用算法程序集.北京:清华大学出版社,1996
R esearch on the M easu rem en t of O verdam ped Co il Geophone
Fu X iaon ing　W ang L i
(X ian Co llege of O il,X ian　710065)
A b stract:T he p rinci p les and op erati on s fo r the m easu rem en ts of the m ain p aram eters of the over2 dam p ed co il geop hone,such as dam p,natu ral frequency and sen sitivity,by m ean s of A C excitati on are described in th is p ap er.
B ased on th is theo ry,a k ind of po rtab le sp ecific testing in strum en ts has been develop ed.
Key W o rds:co il geop hone,overdam p,testing
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A u tom atic T esting System fo r W ater L evel
Sen so rs and the E rro r A nalysis
H u Shengqing,Zuo J ing and H u Y i
(H efei Indu strial U n iversity,H efei　230009)
A b stract:A novel testing system fo r the w ater level sen so r,w h ich is one of the key p arts of the au tom atic w ashers,has been develop ed.A ll the p rop erties of the sen so r can be tested au tom ati2 cally by th is system w h ich has friendly in terfaces to u sers.It is described in detail in th is article. Key W o rds:w ater level sen so r,info rm ati on p rocess,rap id m easu rem en t of frequency。