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计量服务产业经典案例:定制传感器批量标定系统 解决企业量产最后瓶颈

计量资讯速递2019-02-06 11:07:42

 背景及需求


  以微纳制造技术为代表的各类新型传感器及其模组是物联网感知装备的核心,也是国家物联网感知装备产业计量测试中心(以下简称“中心”)的主要服务对象。围绕这些相关产品,传统的计量校准服务主要停留在一些传统传感器/变送器的型式评价或者周期检定/校准上。

  实际上,传感器产品具有内在的计量属性,其生产过程中存在大量和计量测试相关的环节。纵观传感器产业的全流程,从前端芯片制造,到中间几次封装,再到模组的集成装配,直至最终终端产品,涉及众多的测试相关工序。其中,传感器的批量标定是关键步骤之一。传感器产品在使用前必须经过有效的标定,这也被称为量产的最后一公里。由于传感器产品的差异性大等特点,和其他生产装配工序相比,批量标定环节的自动化程度参差不齐,而且行业内也未形成良好的分工,能提供成熟的传感器批量标定系统或服务的企业较少。特别是对于国内的一些中小企业,自动化标定往往成为量产的最后瓶颈。调研发现,对于国内传感器企业(特别是中小企业),这种量产标定需求主要表现为两大类:一是企业还处于起步阶段,或者新切入某一传感器领域,由于企业技术人员结构的局限(缺乏标定系统搭建能力),很多时候是从零开始,系统搭建门槛高,影响产品导入速度。二是处于成长期的企业需要新增产能时,原有标定系统不能满足需求,即缺乏足够、高效、高质量的批量标定设备/系统,最终使得产能受影响。

  本案例中的中电集团某所就遇到了上述问题。该所近年来大力实施军民融合战略,进军MEMS传感器市场(压力传感器等),其自身技术人员主要局限于传感器的设计和加工等,缺乏有效的量产标定系统搭建能力。


 服务措施及技术路径


  在最初了解到对方需求后,中心第一时间就组成了涵盖压力、传感器测试、自动化以及软件等专业人才的项目团队,并制定初步解决方案。带着方案去拜访,并邀请客户来中心实地考察,最终以技术实力和服务热情取得对方信任。

  在达成服务合作意向后,双方团队一起针对项目现状、目标和以及整体路径进行了系统分析,并制定了项目计划。原有标定系统还处在实验室阶段,人工操作,效率低下,一套气体压力标准器一天最多能完成5片传感器的标定,仅仅满足打样需求。为了使客户利益最大化,我们的目标是在原有设备基础上,改造为压力传感器全自动批量标定系统,实现小批量量产导入。制定的总体服务路径遵循以下几个原则:围绕需求:综合考虑客户的技术目标、导入时效、改造成本、系统后续维护性等;基于基础:以中心现有的压力传感器检定校准系统为基础;深度定制:根据选择的调理芯片/调理板定制标定系统;集众所长:参考并借鉴设备商的解决方案及其他成熟厂商的技术路径。

  对比于中心之前自主开发的压力传感器校准系统,企业需要的批量标定系统和它的主要区别可以概括为“单个”与“批量”、“校准”与“标定”两方面,如图1所示。其中,标定需要实现传感器输入输出特性的非线性补偿、温度补偿、零点补偿等。

图1 标定系统运行流程图

  上述差别最终体现在硬件架构和软件流程上。批量标定系统由工控机、压力控制器、高低温箱、数据读写单元、气源气路、压力腔体以及电源等其他配件组成,以氮气为工作介质,压力控制器和高低温箱均与工控机相连,从而实现各压力点、各温度点的自动控制。计算机根据设定的温度,控制高低温箱达到设定温,并反馈到计算机系统;达到温度后,系统自动产生所需的标准压力,通过专用工装接口传递到被校压力传感器;通过传感器的调理单元,实现对被检传感器的线性化及温度补偿。

  系统的软件功能包括:高低温箱自动控制。依据设定的温度,进行高低温箱控制,达到设定温度后,进行压力源控制;压力源自动控制。在选定压力范围后,系统将自动按要求进行加压和降压;线性化修正。对传感器进行线性化修正、自动保存修正数据到传感器内部;温度补偿修正。对传感器进行温度补偿修正、自动保存修正数据到传感器内部;数据存储。可根据要求,保存修正数据;数据处理。依据算法,进行计算修正数据;数据打印。可将修正数据按照要求的格式打印。

  最终实现的批量标定系统可实现一键式标定,利用工控机控制所有仪器设备,完成数据采集、数据处理、标定系数写入,以及其他附加工作。


 服务效果和展望


  该系统最终交付给用户并调试运行后,可实现压力传感器多个压力点、多个温度点的批量化自动标定,实现温度补偿、零点补偿、非线性补偿功能。传感器的标定效率提升显著,一批次完成96片传感器(后续还可支持升级更多片),一天标定产能达到4+个批次。由于减少了人工介入,工作质量也得到改善,压力传感器批次的准确性、一致性相比手工操作有极大提高,最终效果得到了客户的好评。

  通过这个案例,也进一步提升了中心在传感器测试/标定系统研制上的技术实力,有助于中心在行业中找准定位,扮演更重要的角色:在提供传统检定/校准/检测服务的同时,致力于为企业提供物联网传感器测试标定系统解决方案。


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本文选自《计量服务产业经典案例20例》

国家市场监督管理总局计量司 组编


 

  总局近日印发了《关于进一步加强社会公用计量标准建设与管理的指导意见》,要求加快社会公用计量标准的升级换代,省级以下计量机构在有关计量标准建设专业知识方面有培训需求;近几年,第三方检验检测机构发展迅猛,但其能力建设、制度建设等有待提升,迫切需要专业培训。针对上述需求,《中国计量》杂志社将于2019年1月16-19日在重庆举办第一期计量标准建设及社会公用计量标准升级换代高级研修班,热诚欢迎各界计量同仁们踊跃报名参加。

研修对象:

1. 计量技术机构的领导、社会公用计量标准相关从业人员;

2. 第三方检验检测机构的有关负责人及标准建设有关人员;

3. 各级计量管理部门有关人员;

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