徐一清，周益民，周國泉，倪涌舟

(浙江農(nóng)林大學(xué) 光機電工程學(xué)院，江蘇 杭州 311300)

用非平衡電橋測鉑電阻溫度系數(shù)是大學(xué)物理實驗課中開設(shè)比較普遍的熱學(xué)實驗[1-3]。傳統(tǒng)實驗過程中需要人工讀數(shù)，手動記錄溫度和電壓數(shù)據(jù)，在另外的平臺使用第三方工具進行繪圖和計算。這種方法步驟繁瑣，效率低下，采集的數(shù)據(jù)量少，只能看到數(shù)據(jù)本身，不能同步觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢，更難以捕捉物理量快速變化過程中的細節(jié)。隨著計算機的廣泛應(yīng)用和信息技術(shù)的快速發(fā)展，實驗教學(xué)的數(shù)字化、信息化及相關(guān)資源的共享利用已成我國當(dāng)前實驗教學(xué)發(fā)展的熱點話題[4,5]。目前，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集實驗平臺作為實驗教學(xué)輔助系統(tǒng)在高校廣泛使用，尤其是在工程學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域[6-10]。

基于美國國家儀器公司(簡稱NI)的NI USB-6210數(shù)據(jù)采集卡，用LabVIEW設(shè)計了鉑電阻溫度系數(shù)自動測量系統(tǒng)[11，12]。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)實驗的諸多弊端，由“傳感器+NI數(shù)據(jù)采集卡+實驗軟件LabVIEW+計算機”構(gòu)成，實現(xiàn)了溫度和非平衡電橋輸出電壓數(shù)據(jù)在計算機上的自動采集和處理，以及電壓溫度變化曲線實時顯示和存儲功能，實驗求得的鉑電阻溫度系數(shù)與理論值相吻合。

1 實驗原理

Pt100鉑電阻是一種利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化而變化的特性制成的溫度傳感器。鉑的物理化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，電阻率較高、線性度好，容易批量生產(chǎn)。因此鉑電阻大多用于工業(yè)檢測中的精密測溫，以及作為溫度標準使用[1]。在0～100 ℃范圍內(nèi)，鉑的輸出電阻Rt的表達式近似線性，為

Rt=R0(1+At).

(1)

式中，A為溫度系數(shù)，近似為3.85×10-3(℃)-1。R0為溫度0 ℃時，鉑電阻輸出的電阻值，Pt100鉑電阻R0=100 Ω。

使用非平衡電橋測量鉑電阻溫度系數(shù)的電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。R1、R2為固定電阻，組成比例電阻；RP為可調(diào)電阻，用作平衡電阻；RT為鉑電阻Pt100；Uout為非平衡電橋的輸出電壓。當(dāng)電源的輸出電壓E一定時，非平衡電橋的輸出電壓

Uout=[RT/(R1+RT)-RP/(R2+RP)]E

(2)

令

I1=E/(R1+RT)

(3)

I2=E/(R2+RP)

(4)

則有

Uout=I1RT-I2RP

(5)

若取R1=R2，且R1?RT，R2?RP，則有

I1≈I2

(6)

Uout=I1(RT-RP)

(7)

設(shè)總電流為I，則

(8)

(9)

令RP等于鉑電阻在0 ℃(tp為0 ℃)時的阻值R0，并將式(1)代入式(9)，則有

(10)

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于NI數(shù)據(jù)采集卡的鉑電阻溫度系數(shù)測量系統(tǒng)由硬件電路、數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW上位機軟件三部分組成，實驗系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是NI USB-6210，它是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度，是測試、控制和設(shè)計應(yīng)用的理想選擇[13]。USB-6210引腳如圖2所示，該模塊提供了8路A/D轉(zhuǎn)換精度達到16位的差分式模擬信號輸入通道，采樣率可達250 kS/s。在實驗中，AI 0通道采集非平衡電橋輸出電壓Uout，AI 1通道采集加熱爐溫度傳感器輸出信號，兩路信號均采用差分配置接線。

圖2 USB-6210引腳圖

按照圖1(a)連接非平衡電橋測量電路，其中R1、R2、RP用ZX21型直流電阻箱設(shè)置，Rt為鉑電阻Pt100。取R1=R2=9 000 Ω，RP=100 Ω。開啟直流穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)輸出電壓至毫安表讀數(shù)為4 mA，并且在以后的實驗過程中保持總電流為4 mA不變。將鉑電阻Pt100插入加熱爐內(nèi)，所用加熱爐為FB203型恒流智能控溫實驗儀，連接圖如圖3所示。將加熱爐設(shè)定溫度設(shè)置為100 ℃，然后將加熱選擇擋位開關(guān)調(diào)至“低”，開始持續(xù)均勻升溫。數(shù)據(jù)采集卡將采集的兩路差分信號通過USB接口傳輸至上位機。

圖3 FB203型恒流智能控溫實驗儀連接圖

2.2 實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

實驗上位機系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW平臺開發(fā)的，由前面板程序界面和后面板程序框圖兩部分組成[14]，軟件流程圖如圖4所示[15]。基于LabVIEW的測控程序包括參量設(shè)定、加熱爐溫度和非平衡電橋輸出電壓數(shù)據(jù)采集、溫度時間變化曲線和電壓時間變化曲線實時顯示、數(shù)據(jù)記錄及保存、數(shù)據(jù)分析計算和自動游標獲取任意位置數(shù)據(jù)等主要功能。

圖4 測量系統(tǒng)軟件流程圖

軟件的前面板如圖5所示，LabVIEW后面板程序設(shè)計與前面板功能一一對應(yīng)，如圖6所示。

圖5 實驗系統(tǒng)軟件前面板圖

圖6 LabVIEW程序框圖

參量設(shè)定模塊可對采樣通道、采樣模式、采樣率等進行設(shè)置；本實驗設(shè)置采樣通道為AI 0和AI 1兩路通道，采樣模式設(shè)置為差分，和接線端保持一致，由于加熱爐升溫較為緩慢，采樣率設(shè)置為1 Hz；數(shù)據(jù)采集模塊可對加熱爐溫度和非平衡電橋輸出電壓進行實時測量，實驗設(shè)置為1秒采集一次數(shù)據(jù)，加熱爐從室溫加熱至94 ℃，共采集1230組數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示模塊上位機波形圖表實時顯示溫度和電壓數(shù)據(jù)，便于測量者直觀地查看和初步分析；數(shù)據(jù)處理模塊可實時讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里的溫度和電壓數(shù)據(jù)，繪制U-Δt變化曲線，用最小二乘法擬合計算曲線斜率和鉑電阻溫度系數(shù)；數(shù)據(jù)記錄模塊實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲功能，通過LabVIEW中的簇功能將時間數(shù)據(jù)、溫度數(shù)值、電壓數(shù)值等數(shù)據(jù)捆綁到一起，再經(jīng)過移位寄存器變成數(shù)組存入到制定的Excel表格中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查看、提取和處理。另外U-Δt變化曲線圖增加了自動游標，可獲取任意位置的坐標數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

實驗整個系統(tǒng)是利用LabVIEW的DAQmx驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)采集模塊進行配置，由于采集的兩路信號強度較弱，均為毫伏級，在進行溫度和電壓數(shù)據(jù)采集的過程中，電磁干擾或零點漂移會引起電壓的上下浮動，從而使測量的數(shù)據(jù)值出現(xiàn)小范圍的波動，導(dǎo)致測量的結(jié)果精度降低，但誤差均在允許范圍之內(nèi)。

將LabVIEW程序采集的電壓溫度原始數(shù)據(jù)文件(excel格式，內(nèi)含1230個數(shù)據(jù))導(dǎo)入SigmaPlot軟件處理實驗數(shù)據(jù)[16]，可以得U-Δt曲線，使用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果：ελ=0.7626x-0.031，標準偏差ERMSE=0.000 6，相關(guān)系數(shù)R=0.999 6。擬合的精度較高，擬合曲線如圖7所示。擬合求出斜率k=0.762 6，與LabVIEW程序擬合的結(jié)果一致。

溫度/℃

4 結(jié) 語

基于NI數(shù)據(jù)采集卡的鉑電阻溫度系數(shù)測量系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動化測量，智能分析與處理，還實現(xiàn)了電壓溫度變化曲線實時顯示和存儲功能，提高了實驗的可視化和自動化程度，更好的滿足了科研測試和教學(xué)實驗的要求。讓學(xué)生把實踐的重點放在對整個實驗過程原理的理解和結(jié)果的分析探究上，而不是花費更多的時間在數(shù)據(jù)記錄、計算和手工作圖上，從而提高了實驗的效率，教學(xué)效果良好。