基于LabVIEW 的鉑電阻器自動測試系統

王 冰，唐勝武，劉 慧

(中國電子科技集團公司 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體的電阻值隨溫度變化而變化的原理來測量溫度的［1］，分辨率接近1 mK(0.001 ℃)，并且具有測溫范圍大、精度高、穩定性好和耐氧化等特點。由于在高溫區鉑電阻器的阻值與溫度之間存在著非線性特性［2］，在復雜的電磁環境下容易受干擾，會給最后的溫度測量帶來一定的誤差。因此，對鉑電阻器進行自動、準確、批量的測試，具有十分重要的應用價值。

LabVIEW(實驗室虛擬儀器工程平臺)為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、輕松的設計環境［3］，隨著虛擬儀器技術的發展，這一技術在測量與控制領域得到了快速廣泛的推廣應用［4］。本文利用LabVIEW 圖形化的編程方式，設計了基于LabVIEW 的8 通道鉑電阻器自動測試系統。實現了同時對8 路被測鉑電阻器阻值的測量、采集、等級分類及保存打印等功能。

1 自動測試系統的總體結構

整個測試系統由恒溫裝置、待測傳感器、矩陣開關、測量部分、控制器和計算機等六部分組成，如圖1 所示。恒溫裝置(一般為油槽)為待測傳感器提供穩定的溫度環境。矩陣開關用于多通道之間的切換，將測量切換到指定通道或按指定順序切換。測量部分主要由高精度的數據采集模塊完成測量功能，該模塊內部集成了高精度的電壓采集器和精密電流源。計算機通過控制器對矩陣開關和數據采集模塊進行控制，并將數據采集模塊的數據采集到計算機中，進行計算和處理等操作。

圖1 系統總體組成圖Fig 1 Overall constitution diagram of system

2 自動測試系統的硬件構成

自動測試系統的硬件主要由控制器、矩陣開關和測量部分組成，如圖2 所示。

圖2 系統硬件組成圖Fig 2 Constitution diagram of system hardware

本系統的控制器采用PXI-1033 機箱(集成控制器)，控制器位于機箱最左端的插槽內，具有MXI-Express 遠程控制的110 MB/s持續處理能力。利用MXI-3(measurement extensions for instrumentation)接口工具，可以通過透明、高速的串口連接被計算機或其他PXI 系統直接控制。MXI-3接口工具包提供從計算機到PXI 機箱的84 MB PCI-PCI 連接橋。

測量部分的數據采集模塊采用PXI-4071 型7 位數字萬用表(DMM)。其擁有高達1.8 MS/s 的采樣率和具有業界領先的精度擴展校準周期。與NI 開關模塊相結合，為要求嚴格的自動化測試應用，提供了執行高通道數、高精度測量所需的靈活性，并且可提供兩種常用測試儀器的測量功能，即高分辨率的數字萬用表和數字化儀。作為數字萬用表，NI PXI-4071 可快速準確地進行 ±10 nV～1000 V 范圍內的電壓測量、±1 pA～3 A 范圍內的電流測量、10 μΩ～5 GΩ的電阻測量，以及頻率/周期和二極管測量。

矩陣開關采用PXI-2530 多通道開關卡，可作為高密度多配置的多路復用器或矩陣開關使用。NI PXI-2530 具有4 種多路復用器配置和3 種矩陣配置。多路復用器包括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 高速測量設備，可達到多通道數據測量與采集的目的。由于薄膜鉑電阻器是阻抗性元件，必須對其施加一個激勵源，然后讀取流過終端的電壓，該激勵源必須保持恒定并具有相當的精度。系統采用四線制測量方法，使測試電流經過一組測試引流線流過被測電阻器;而被測電阻器上的電壓則是通過取樣引線的第二組引線來測量的。雖然在取樣引線中有小的電流流過，但是這些電流在所有實際測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，儀表測量出的電壓和電阻器上的電壓實際上是相同的。這樣，就能以比二線方法高得多的準確度來確定電阻的數值。

控制器、矩陣開關和數字萬用表配合使用，利用了開關模塊和儀器之間的雙向通信。數字萬用表在觸發開關閉合掃描列表中下一個連接的測量后產生一個數字脈沖，在每個掃描列表連接之后，開關將發送脈沖，觸發數字萬用表開始下一個測量。由于整個測量順序是硬件定時，并且沒有其他軟件延遲，所以，該過程可以確保最優吞吐量。

3 自動測試系統的軟件設計

圖3 為自動測試系統的軟件流程圖，程序主要分成三大部分:1)校準;2)信號控制;3)數據采集。

圖3 系統軟件流程圖Fig 3 Flow chart of system software

測量前，須對測量系統進行校準。本系統配備了各種常用阻值的標準電阻器，對每個通道進行校準時，可選擇“通道校準”。如果要對整個系統校準，則選擇“系統校準”即可。

在測量中，對信號的控制包括:1)對恒溫裝置的控制，主要通過軟件設置恒溫裝置的溫度，給待測鉑電阻器提供穩定的溫度環境;2)矩陣開關的控制，主要完成控制各個通道的開和關;3)數字萬用表的控制，主要完成當矩陣開關切換完后，數字萬用表開始測量和采集。利用矩陣開關的快速切換，本文采用了通過提供極性相反的測量電流的方法，結合軟件中的信號濾波算法［5］，可以消除熱電動勢對電阻測量過程的影響。

數據采集部分由以下幾個模塊組成:1)數據采集模塊，主要完成應變信號數據的采集，采樣通道為1～8 個通道，可以任意選擇通道。采樣過程中可以實時顯示采樣結果，可以選擇性保存數據;2)分析處理模塊，主要完成對采集數據的整理，根據數據計算相關的參數;3)數據顯示模塊，主要完成對實時采集數據的顯示和計算后參數的顯示;4)數據存儲模塊，主要完成數據文件的管理，負責數據文件和相關文件的存儲與讀取。LabVIEW 中，保存數據文件的類型很多，本文使用了擴展名為.xls 的Excel 文件格式;5)數據回放模塊，該模塊是在實驗數據回放的基礎上實現數據的處理分析;6)打印報告模塊，主要是完成實驗報告的生成，將數據處理結果和性能參數制作成實驗報告，作為以后研究、分析的存檔。

本文通過軟、硬件結合的方法，采用了7 位半高精度的數字萬用表和四線制測量電阻的方法消除了引線電阻對測量的影響，采用電流反向測量和軟件濾波的方法消除了熱電動勢對測量的影響，有效地提高了測量的精度。

4 測試結果

在0 ℃和100 ℃的條件下分別對Pt100 和 Pt1000 鉑電阻器進行了測試［6］，測試結果如表1，表2 所示。

表1 Pt100 測試結果Tab 1 Measurement results of Pt100

表2 Pt1000 測試結果Tab 2 Measurement results of Pt1000

從表中數據可看出:本系統測得的數據具有一致性好、精度高、穩定性好等特點，可以達到0.01%的測量精度。

5 結 論

本文設計了一種基于LabVIEW 的鉑電阻器自動測試系統，實現了每次同時對8 只鉑電阻器的測量，滿足了科研、生產中對測量的快速、高精度和高穩定性的要求。本系統采用四線制測量方法消除引線電阻和系統中其他疊加電阻，結合矩陣開關和LabVIEW 軟件消除熱電動勢誤差，實現優于0.01%的鉑電阻器測量了。

［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現［J］.儀表技術與傳感器，2002，10(8):44 －46.

［2］ 劉少強，黃惟一.基于插值計算與優化的鉑電阻非線性校正方法［J］.儀器儀表學報，2003，24(2):215 －217，220.

［3］ 李 楊，鄭瑩娜，朱錚濤.圖形化編程語言LabVIEW 環境及其開放性［J］.計算機工程，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 的數字濾波器設計［J］.計算機應用，2006，20(6):19 －20.

［6］ SJ 20722-1998，熱電阻溫度傳感器總規范［S］.