計量服務產業經典案例：定制傳感器批量標定系統 解決企業量產后瓶頸

 計量服務產業經典案例：定制傳感器批量標定系統 解決企業量產后瓶頸

一、背景及需求

　　以微納制造技術為代表的各類新型傳感器及其模組是物聯網感知裝備的核心，也是國家物聯網感知裝備產業計量測試中心（以下簡稱“中心”）的主要服務對象。圍繞這些相關產品，傳統的計量校準服務主要停留在一些傳統傳感器/變送器的型式評價或者周期檢定/校準上。

　　實際上，傳感器產品具有內在的計量屬性，其生產過程中存在大量和計量測試相關的環節。縱觀傳感器產業的全流程，從前端芯片制造，到中間幾次封裝，再到模組的集成裝配，直至終終端產品，涉及眾多的測試相關工序。其中，傳感器的批量標定是關鍵步驟之一。傳感器產品在使用前必須經過有效的標定，這也被稱為量產的后一公里。由于傳感器產品的差異性大等特點，和其他生產裝配工序相比，批量標定環節的自動化程度參差不齊，而且行業內也未形成良好的分工，能提供成熟的傳感器批量標定系統或服務的企業較少。特別是對于國內的一些中小企業，自動化標定往往成為量產的后瓶頸。調研發現，對于國內傳感器企業（特別是中小企業），這種量產標定需求主要表現為兩大類：一是企業還處于起步階段，或者新切入某一傳感器領域，由于企業技術人員結構的局限（缺乏標定系統搭建能力），很多時候是從零開始，系統搭建門檻高，影響產品導入速度。二是處于成長期的企業需要新增產能時，原有標定系統不能滿足需求，即缺乏足夠、、高質量的批量標定設備/系統，終使得產能受影響。

　　本案例中的中電集團某所就遇到了上述問題。該所近年來大力實施軍民融合戰略，進軍MEMS傳感器市場（壓力傳感器等），其自身技術人員主要局限于傳感器的設計和加工等，缺乏有效的量產標定系統搭建能力。

　　二、服務措施及技術路徑

　　在初了解到對方需求后，中心時間就組成了涵蓋壓力、傳感器測試、自動化以及軟件等專業人才的項目團隊，并制定初步解決方案。帶著方案去拜訪，并邀請客戶來中心實地考察，終以技術實力和服務熱情取得對方信任。

　　在達成服務合作意向后，雙方團隊一起針對項目現狀、目標和以及整體路徑進行了系統分析，并制定了項目計劃。原有標定系統還處在實驗室階段，人工操作，效率低下，一套氣體壓力標準器一天多能完成5片傳感器的標定，僅僅滿足打樣需求。為了使客戶利益大化，我們的目標是在原有設備基礎上，改造為壓力傳感器全自動批量標定系統，實現小批量量產導入。制定的總體服務路徑遵循以下幾個原則：圍繞需求：綜合考慮客戶的技術目標、導入時效、改造成本、系統后續維護性等；基于基礎：以中心現有的壓力傳感器檢定校準系統為基礎；深度定制：根據選擇的調理芯片/調理板定制標定系統；集眾所長：參考并借鑒設備商的解決方案及其他成熟廠商的技術路徑。

　　對比于中心之前自主開發的壓力傳感器校準系統，企業需要的批量標定系統和它的主要區別可以概括為“單個”與“批量”、“校準”與“標定”兩方面，如圖1所示。其中，標定需要實現傳感器輸入輸出特性的非線性補償、溫度補償、零點補償等。

圖1 標定系統運行流程圖

　　上述差別終體現在硬件架構和軟件流程上。批量標定系統由工控機、壓力控制器、高低溫箱、數據讀寫單元、氣源氣路、壓力腔體以及電源等其他配件組成，以氮氣為工作介質，壓力控制器和高低溫箱均與工控機相連，從而實現各壓力點、各溫度點的自動控制。計算機根據設定的溫度，控制高低溫箱達到設定溫，并反饋到計算機系統；達到溫度后，系統自動產生所需的標準壓力，通過工裝接口傳遞到被校壓力傳感器；通過傳感器的調理單元，實現對被檢傳感器的線性化及溫度補償。

　　系統的軟件功能包括:高低溫箱自動控制。依據設定的溫度，進行高低溫箱控制，達到設定溫度后，進行壓力源控制；壓力源自動控制。在選定壓力范圍后，系統將自動按要求進行加壓和降壓；線性化修正。對傳感器進行線性化修正、自動保存修正數據到傳感器內部；溫度補償修正。對傳感器進行溫度補償修正、自動保存修正數據到傳感器內部；數據存儲。可根據要求，保存修正數據；數據處理。依據算法，進行計算修正數據；數據打印。可將修正數據按照要求的格式打印。

　　終實現的批量標定系統可實現一鍵式標定，利用工控機控制所有儀器設備，完成數據采集、數據處理、標定系數寫入，以及其他附加工作。

　　三、服務效果和展望

　　該系統終交付給用戶并調試運行后，可實現壓力傳感器多個壓力點、多個溫度點的批量化自動標定，實現溫度補償、零點補償、非線性補償功能。傳感器的標定效率提升顯著，一批次完成96片傳感器（后續還可支持升級更多片），一天標定產能達到4+個批次。由于減少了人工介入，工作質量也得到改善，壓力傳感器批次的準確性、一致性相比手工操作有極大提高，終效果得到了客戶的好評。

　　通過這個案例，也進一步提升了中心在傳感器測試/標定系統研制上的技術實力，有助于中心在行業中找準定位，扮演更重要的角色：在提供傳統檢定/校準/檢測服務的同時，致力于為企業提供物聯網傳感器測試標定系統解決方案。

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