基于LabVIEW 的鉑電阻器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

王 冰，唐勝武，劉 慧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

鉑電阻器是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理來(lái)測(cè)量溫度的［1］，分辨率接近1 mK(0.001 ℃)，并且具有測(cè)溫范圍大、精度高、穩(wěn)定性好和耐氧化等特點(diǎn)。由于在高溫區(qū)鉑電阻器的阻值與溫度之間存在著非線性特性［2］，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下容易受干擾，會(huì)給最后的溫度測(cè)量帶來(lái)一定的誤差。因此，對(duì)鉑電阻器進(jìn)行自動(dòng)、準(zhǔn)確、批量的測(cè)試，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

LabVIEW(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境［3］，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)在測(cè)量與控制領(lǐng)域得到了快速?gòu)V泛的推廣應(yīng)用［4］。本文利用LabVIEW 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW 的8 通道鉑電阻器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)8 路被測(cè)鉑電阻器阻值的測(cè)量、采集、等級(jí)分類及保存打印等功能。

1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由恒溫裝置、待測(cè)傳感器、矩陣開(kāi)關(guān)、測(cè)量部分、控制器和計(jì)算機(jī)等六部分組成，如圖1 所示。恒溫裝置(一般為油槽)為待測(cè)傳感器提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。矩陣開(kāi)關(guān)用于多通道之間的切換，將測(cè)量切換到指定通道或按指定順序切換。測(cè)量部分主要由高精度的數(shù)據(jù)采集模塊完成測(cè)量功能，該模塊內(nèi)部集成了高精度的電壓采集器和精密電流源。計(jì)算機(jī)通過(guò)控制器對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行計(jì)算和處理等操作。

圖1 系統(tǒng)總體組成圖Fig 1 Overall constitution diagram of system

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要由控制器、矩陣開(kāi)關(guān)和測(cè)量部分組成，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖Fig 2 Constitution diagram of system hardware

本系統(tǒng)的控制器采用PXI-1033 機(jī)箱(集成控制器)，控制器位于機(jī)箱最左端的插槽內(nèi)，具有MXI-Express 遠(yuǎn)程控制的110 MB/s持續(xù)處理能力。利用MXI-3(measurement extensions for instrumentation)接口工具，可以通過(guò)透明、高速的串口連接被計(jì)算機(jī)或其他PXI 系統(tǒng)直接控制。MXI-3接口工具包提供從計(jì)算機(jī)到PXI 機(jī)箱的84 MB PCI-PCI 連接橋。

測(cè)量部分的數(shù)據(jù)采集模塊采用PXI-4071 型7 位數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)。其擁有高達(dá)1.8 MS/s 的采樣率和具有業(yè)界領(lǐng)先的精度擴(kuò)展校準(zhǔn)周期。與NI 開(kāi)關(guān)模塊相結(jié)合，為要求嚴(yán)格的自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用，提供了執(zhí)行高通道數(shù)、高精度測(cè)量所需的靈活性，并且可提供兩種常用測(cè)試儀器的測(cè)量功能，即高分辨率的數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)字化儀。作為數(shù)字萬(wàn)用表，NI PXI-4071 可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行 ±10 nV～1000 V 范圍內(nèi)的電壓測(cè)量、±1 pA～3 A 范圍內(nèi)的電流測(cè)量、10 μΩ～5 GΩ的電阻測(cè)量，以及頻率/周期和二極管測(cè)量。

矩陣開(kāi)關(guān)采用PXI-2530 多通道開(kāi)關(guān)卡，可作為高密度多配置的多路復(fù)用器或矩陣開(kāi)關(guān)使用。NI PXI-2530 具有4 種多路復(fù)用器配置和3 種矩陣配置。多路復(fù)用器包括128x1(一線)，64x1(二線)，32x1(四線)或 8 組16x1(一線)的模式，矩陣則包括4x32(一線)，8x16(一線)或4x16(二線)的模式。本文采用32x1(四線)的形式，配合 NI PXI-4071 7 位半FlexDMM 高速測(cè)量設(shè)備，可達(dá)到多通道數(shù)據(jù)測(cè)量與采集的目的。由于薄膜鉑電阻器是阻抗性元件，必須對(duì)其施加一個(gè)激勵(lì)源，然后讀取流過(guò)終端的電壓，該激勵(lì)源必須保持恒定并具有相當(dāng)?shù)木?。系統(tǒng)采用四線制測(cè)量方法，使測(cè)試電流經(jīng)過(guò)一組測(cè)試引流線流過(guò)被測(cè)電阻器;而被測(cè)電阻器上的電壓則是通過(guò)取樣引線的第二組引線來(lái)測(cè)量的。雖然在取樣引線中有小的電流流過(guò)，但是這些電流在所有實(shí)際測(cè)量工作中都是可以忽略的。由于取樣引線上的電壓降是可以忽略的，所以，儀表測(cè)量出的電壓和電阻器上的電壓實(shí)際上是相同的。這樣，就能以比二線方法高得多的準(zhǔn)確度來(lái)確定電阻的數(shù)值。

控制器、矩陣開(kāi)關(guān)和數(shù)字萬(wàn)用表配合使用，利用了開(kāi)關(guān)模塊和儀器之間的雙向通信。數(shù)字萬(wàn)用表在觸發(fā)開(kāi)關(guān)閉合掃描列表中下一個(gè)連接的測(cè)量后產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字脈沖，在每個(gè)掃描列表連接之后，開(kāi)關(guān)將發(fā)送脈沖，觸發(fā)數(shù)字萬(wàn)用表開(kāi)始下一個(gè)測(cè)量。由于整個(gè)測(cè)量順序是硬件定時(shí)，并且沒(méi)有其他軟件延遲，所以，該過(guò)程可以確保最優(yōu)吞吐量。

3 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖3 為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件流程圖，程序主要分成三大部分:1)校準(zhǔn);2)信號(hào)控制;3)數(shù)據(jù)采集。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 3 Flow chart of system software

測(cè)量前，須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。本系統(tǒng)配備了各種常用阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻器，對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，可選擇“通道校準(zhǔn)”。如果要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)校準(zhǔn)，則選擇“系統(tǒng)校準(zhǔn)”即可。

在測(cè)量中，對(duì)信號(hào)的控制包括:1)對(duì)恒溫裝置的控制，主要通過(guò)軟件設(shè)置恒溫裝置的溫度，給待測(cè)鉑電阻器提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境;2)矩陣開(kāi)關(guān)的控制，主要完成控制各個(gè)通道的開(kāi)和關(guān);3)數(shù)字萬(wàn)用表的控制，主要完成當(dāng)矩陣開(kāi)關(guān)切換完后，數(shù)字萬(wàn)用表開(kāi)始測(cè)量和采集。利用矩陣開(kāi)關(guān)的快速切換，本文采用了通過(guò)提供極性相反的測(cè)量電流的方法，結(jié)合軟件中的信號(hào)濾波算法［5］，可以消除熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)電阻測(cè)量過(guò)程的影響。

數(shù)據(jù)采集部分由以下幾個(gè)模塊組成:1)數(shù)據(jù)采集模塊，主要完成應(yīng)變信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，采樣通道為1～8 個(gè)通道，可以任意選擇通道。采樣過(guò)程中可以實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果，可以選擇性保存數(shù)據(jù);2)分析處理模塊，主要完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的整理，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)的參數(shù);3)數(shù)據(jù)顯示模塊，主要完成對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的顯示和計(jì)算后參數(shù)的顯示;4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，主要完成數(shù)據(jù)文件的管理，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)文件和相關(guān)文件的存儲(chǔ)與讀取。LabVIEW 中，保存數(shù)據(jù)文件的類型很多，本文使用了擴(kuò)展名為.xls 的Excel 文件格式;5)數(shù)據(jù)回放模塊，該模塊是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回放的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析;6)打印報(bào)告模塊，主要是完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果和性能參數(shù)制作成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作為以后研究、分析的存檔。

本文通過(guò)軟、硬件結(jié)合的方法，采用了7 位半高精度的數(shù)字萬(wàn)用表和四線制測(cè)量電阻的方法消除了引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，采用電流反向測(cè)量和軟件濾波的方法消除了熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)測(cè)量的影響，有效地提高了測(cè)量的精度。

4 測(cè)試結(jié)果

在0 ℃和100 ℃的條件下分別對(duì)Pt100 和 Pt1000 鉑電阻器進(jìn)行了測(cè)試［6］，測(cè)試結(jié)果如表1，表2 所示。

表1 Pt100 測(cè)試結(jié)果Tab 1 Measurement results of Pt100

表2 Pt1000 測(cè)試結(jié)果Tab 2 Measurement results of Pt1000

從表中數(shù)據(jù)可看出:本系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)具有一致性好、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以達(dá)到0.01%的測(cè)量精度。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 的鉑電阻器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了每次同時(shí)對(duì)8 只鉑電阻器的測(cè)量，滿足了科研、生產(chǎn)中對(duì)測(cè)量的快速、高精度和高穩(wěn)定性的要求。本系統(tǒng)采用四線制測(cè)量方法消除引線電阻和系統(tǒng)中其他疊加電阻，結(jié)合矩陣開(kāi)關(guān)和LabVIEW 軟件消除熱電動(dòng)勢(shì)誤差，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.01%的鉑電阻器測(cè)量了。

［1］ 楊永竹.鉑電阻高精度非線性校正及其在智能儀表中的實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2002，10(8):44 －46.

［2］ 劉少?gòu)?qiáng)，黃惟一.基于插值計(jì)算與優(yōu)化的鉑電阻非線性校正方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(2):215 －217，220.

［3］ 李 楊，鄭瑩娜，朱錚濤.圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 環(huán)境及其開(kāi)放性［J］.計(jì)算機(jī)工程，1999，25(4):63 －65.

［4］ Johnson G W，Jennings R.LabVIEW graphical programming［M］.［S.1.］:McGraw－Hill Companies，2001.

［5］ 楊大柱.基于LabVIEW 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，20(6):19 －20.

［6］ SJ 20722-1998，熱電阻溫度傳感器總規(guī)范［S］.