一種數(shù)據(jù)采集器的溫度特性實驗系統(tǒng)

廖德駒， 沈 韓， 崔新圖， 馮饒慧， 王 鋼， 方奕忠

(中山大學 物理科學與工程技術(shù)學院，廣東 廣州 510275)

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一種數(shù)據(jù)采集器的溫度特性實驗系統(tǒng)

廖德駒， 沈 韓， 崔新圖， 馮饒慧， 王 鋼， 方奕忠

(中山大學 物理科學與工程技術(shù)學院，廣東 廣州 510275)

基于NI myDAQ和NI USB6009數(shù)據(jù)采集器，用LabVIEW設(shè)計和制作了能同時測量4種溫度傳感器溫度特性的實驗教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時記錄并直觀顯示溫度傳感器輸出參數(shù)隨溫度的變化過程，還可根據(jù)需求設(shè)定數(shù)據(jù)記錄時長及數(shù)據(jù)量。用該系統(tǒng)測量了Cu50銅電阻、NTC熱敏電阻、PN結(jié)電壓和AD590電流型集成電路溫度傳感器輸出電流等參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，實驗結(jié)果與采用分立式傳統(tǒng)儀器測量的結(jié)果吻合。

NI myDAQ; NIUSB6009; AD590溫度傳感器; 溫度特性; LabVIEW

0 引 言

溫度傳感器的溫度特性測量是大學物理實驗教學的一個重要課題[1-5]。目前，利用多個分立儀器同時測量多個傳感器輸出參數(shù)隨溫度變化關(guān)系的實驗方法被廣泛采用，如熱學設(shè)計性實驗裝置可同時測量四個傳感器的參數(shù)[6]，但由于不同傳感器輸出參數(shù)的種類和數(shù)值不同，使得該方法具有測量儀器多，實驗操作和數(shù)據(jù)記錄難度大，較難同步顯示多個參數(shù)隨溫度變化的曲線等缺點。

為解決上述問題，基于美國國家儀器公司(簡稱NI)的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器[7-9]、NI USB6009數(shù)據(jù)采集器[10-12]，用LabVIEW設(shè)計和制作溫度傳感器溫度特性測量系統(tǒng)，方便靈活，速度快，精度高，易于實現(xiàn)。并用該系統(tǒng)測量了Cu50銅電阻、NTC熱敏電阻、PN結(jié)電壓和AD590電流型集成電路溫度傳器的溫度特性。

1 溫度傳感器的溫度特性測量系統(tǒng)

1.1 測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

測量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，核心是1臺NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器和1臺NI USB6009數(shù)據(jù)采集器。NI myDAQ采集器提供2個A/D轉(zhuǎn)換精度達到16 b的差分式模擬信號輸入通道CH5和CH6，分別采集2個恒流源的輸出電流；NI USB6009采集器提供4個A/D轉(zhuǎn)換精度達到14 b的差分式模擬輸入通道CH1～CH4，分別采集4個溫度傳感器的輸出電壓。恒流源A向Cu50銅電阻RCu50溫度傳感器提供恒定電流IA，并流經(jīng)定值采樣電阻R3；恒流源B向NTC熱敏電阻RNTC溫度傳感器提供恒定電流IB，并流經(jīng)定值采樣電阻R4。電阻R3和電阻R4上的電壓降U4和U6由NI myDAQ采集，如圖1的CH5、CH6通道所示，并計算出恒流源A和恒流源B的實際輸出電流值IA和IB。AD590是一種電流型集成電路溫度傳感器，其輸出電流大小與溫度成正比，線性度極好，輸出的電流I1在采樣電阻R1上產(chǎn)生電壓降，經(jīng)電壓跟隨器進行功放后的電壓為U1，連同PN結(jié)溫度傳感器輸出電壓U2，Cu50銅電阻溫度傳感器兩端電壓U3，NTC熱敏電阻溫度傳感器2端電壓U5由NI USB6009相應(yīng)通道采集，分別如圖1的CH1、CH2、CH3和CH4所示。

1.2 測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

自行設(shè)計和編制的基于LabVIEW的測控軟件包括實驗介紹、參數(shù)設(shè)定、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集、實時顯示、數(shù)據(jù)記錄及保存和數(shù)據(jù)分析等幾個主要的功能，其中溫度傳感器溫度特性數(shù)據(jù)采集功能的前面板如圖2所示。實驗介紹是對實驗儀器、內(nèi)容、方法、步驟、數(shù)據(jù)

圖1 測量系統(tǒng)原理框圖

處理、注意事項、結(jié)果分析與討論等進行說明；參數(shù)設(shè)定是對測量時間和記錄數(shù)據(jù)量進行設(shè)置；數(shù)據(jù)采集是對上述的U1～U66個電壓值進行測量[13-16]。數(shù)據(jù)處理部分,對AD590，根據(jù)式I1=U1/R1和t(K)=I/1 μA計算出被測溫度t；對Cu50銅電阻值,根據(jù)式RCu50=U3/IA計算；對NTC熱敏電阻值RNTC,根據(jù)式RNTC=U5/IB計算。Cu50銅電阻、NTC熱敏電阻和PN結(jié)電壓隨溫度變化關(guān)系曲線被同時顯示出來，能同步直觀地對比不同傳感器的溫度特性。

圖2 實驗測控軟件前面板圖

2 實驗結(jié)果

用上述實驗系統(tǒng)測得Cu50銅電阻值RCu50、NTC熱敏電阻值RNTC和9 013 PN結(jié)電壓UPN隨溫度t變化的關(guān)系曲線如圖3所示。數(shù)據(jù)點足夠多，可以連成光滑的曲線。由圖可見，RCu50隨溫度升高線性增大；RNTC隨溫度升高按指數(shù)衰減；UPN隨溫度升高線性衰減。在測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊中分別采用線性函數(shù)對測量數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如圖3擬合關(guān)系式部分所示，RCu50、UPN和lnRNTC的擬合方程分別為:

(1)

其中:t為攝氏溫度;T為熱力學溫度。所有擬合直線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999 50，線性度很好。由式(1)可得Cu50銅電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)為A/R0=4.064 0×10-3(℃-1)，0 ℃時的電阻為R0=50.304 Ω；PN結(jié)電壓溫度傳感器的電壓溫度系數(shù)為K=-2.224 4×10-3(V·℃-1)，0 ℃時的結(jié)電壓為U0=0.653 67 V。分析模塊中還根據(jù)式(1)直接給出了RNTC的表達式，即

RNTC=A·eB/T=0.055 890·e3 213.2/T

(2)

結(jié)果與理論相符。

圖3 Cu50銅電阻、NTC熱敏電阻和PN結(jié)電壓隨溫度變化擬合曲線

3 討論與分析

為了和分立儀器測量結(jié)果進行對比，還采用TH2811D LCR交流數(shù)字電橋、RIGOL DM3051臺式數(shù)字萬用表和HJK-100型溫度控制儀分別測量了RCu50、RNTC和UPN的數(shù)值，結(jié)果分別如圖4中(b)、(d)、(f)的空點、空心三角形和黑點所示，圖中(a)、(c)、(e)3條曲線為實驗系統(tǒng)測量結(jié)果。為了方便比較，作圖時將分立儀器測得的RNTC值除以100，將UPN測量值乘以10。對圖4中分立儀器測得實驗點進行擬合，結(jié)果為

(3)

所有擬合直線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999 35，線性度很好。由式(3)可得Cu50的電阻溫度系數(shù)為A/R0=3/888×10-3(℃-1)，與實驗系統(tǒng)測量結(jié)果相比，相對誤差為4.58%；0 ℃時的電阻為R0=50.296 Ω，相對誤差0.014%。由式(3)可得PN結(jié)傳感器的K=-2.22×10-3(V·℃-1)，相對誤差0.45%；U0=0.663 39 V，相對誤差1.64%。可見實驗系統(tǒng)測量結(jié)果和分立儀器的測量結(jié)果符合的很好。

4 結(jié) 語

在研究探討溫度傳感器溫度特性，可采用本實驗系統(tǒng)。利用NI myDAQ和NI USB6009 6個差分輸入通道同時測量，直觀定量觀測電阻或電壓隨溫度變化實時動態(tài)關(guān)系曲線。各參數(shù)準確，重復性好，新系統(tǒng)完全可以替代原分立儀器測量系統(tǒng)。

圖4 實驗系統(tǒng)和分立儀器測量結(jié)果對比

[1] 沈 韓,趙福利. 基礎(chǔ)物理實驗[M].北京:科學出版社,2015.

[2] 姚列明,霍中生,李業(yè)鳳.研究性物理實驗教學與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):124-126,157

[3] 楊敬松,賀秀玲,劉淑聰.基于LabVlEW的“信號分析與處理”實驗教學平臺設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(11):114-115,136.

[4] 楊曉鋒,楊介信. 陶瓷壓強傳感器橋路的溫度特性測試[J].物理實驗,2014(3):36-39.

[5] 肖文波,何興道,朱泉水,等. 熱敏電阻溫度特性仿真實驗的教學分析[J].大學物理實驗,2010(8):44-46.

[6] 章登宏,鐘菊花,房 毅,等. 溫度傳感器在熱學實驗中的應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索,2013(7):149-152.

[7] 孫 暈,路 揚,劉俊延. 基于myDAQ和Multisim的信號與系統(tǒng)實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2013(12):13-15.

[8] Wangju.Based on NImyDAQ Sound Processing System[J].Procedia Engineering, 2012(29):3487-3490.

[9] 崔新圖,沈 韓,方奕忠,等. 基于NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器的表面張力系數(shù)測量系統(tǒng)[J].物理實驗，2015,35(3):6-9.

[10] Mihai Bogdan.Measurement experiment, using NI USB-6008 data acquisition[J]. Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2009, 2(1):117.

[11] 楊 楊,王錦輝. 虛擬儀器在大學物理實驗中的應(yīng)用[J]. 物理與工程,2009(1):26-28.

[12] 吳小艷，陳紅萬，聶道華.等.基于USB-6009的多通道ECG數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2009,32(5):161-164.

[13] 劉春節(jié),吳小鋒,干為民.基于LabVIEW的柔性支承扭轉(zhuǎn)剛度計算機測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù),2014,33(10):22-25.

[14] 王 凡,王俊杰.自制USB采集卡構(gòu)成虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理,2006(23):64-66,70.

[15] 樊建明,陳淵睿.基于數(shù)字溫度濕度傳感器的溫室多點測量系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(7)：89-92.

[16] 張 榮. 基于DAQmx驅(qū)動與LABVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機應(yīng)用與軟件，2011，28(3)：180-181，226.

Data-collector Based Experimental System of Temperature Characteristics

LIAODe-ju，SHENHan，CUIXin-tu，F(xiàn)ENGRao-hui，WANGGang，F(xiàn)ANGYi-zhong

(School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

A multichannel experimental teaching system for measuring the temperature characteristics of multi-sensors is designed base on NI myDAQ, NI USB6009 and LabVIEW. The system can real-time record and display the output parameters of four temperature sensors, and the total record time and data points can be set up freely. By using this system, several single-instruments, including multimeter, digital LCR meter and volt-meter, the resistance of Cu50 copper resistor, resistance of NTC thermistors and PN junction voltage of AD590 IC temperature sensor have been measured, respectively. The results obtained by the system agree well with those obtained by single-instruments.

NI myDAQ; NI USB6009; AD590 temperature sensor; temperature characteristics; LabVIEW

2015-05-15

中山大學實驗教學改革基金項目資助課題(YJ201109)

廖德駒(1967-)，男，廣東肇慶人，碩士，助理工程師，從事大學物理實驗教學與研究工作。E-mail:stsldj@mail.sysu.edu.cn

沈 韓(1973-)，男，廣東潮州人，博士，副教授，從事大學物理實驗教學與研究工作。E-mail:shenhan@mail.sysu.edu.cn

O 4-39;O 4-33

A

1006-7167(2016)01-0111-03