一种数据采集器的温度特性实验系统

廖德驹， 沈 韩， 崔新图， 冯饶慧， 王 钢， 方奕忠

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)



一种数据采集器的温度特性实验系统

廖德驹， 沈 韩， 崔新图， 冯饶慧， 王 钢， 方奕忠

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)

基于NI myDAQ和NI USB6009数据采集器，用LabVIEW设计和制作了能同时测量4种温度传感器温度特性的实验教学系统。该系统可实时记录并直观显示温度传感器输出参数随温度的变化过程，还可根据需求设定数据记录时长及数据量。用该系统测量了Cu50铜电阻、NTC热敏电阻、PN结电压和AD590电流型集成电路温度传感器输出电流等参数随温度的变化关系，实验结果与采用分立式传统仪器测量的结果吻合。

NI myDAQ; NIUSB6009; AD590温度传感器; 温度特性; LabVIEW

0 引 言

温度传感器的温度特性测量是大学物理实验教学的一个重要课题[1-5]。目前，利用多个分立仪器同时测量多个传感器输出参数随温度变化关系的实验方法被广泛采用，如热学设计性实验装置可同时测量四个传感器的参数[6]，但由于不同传感器输出参数的种类和数值不同，使得该方法具有测量仪器多，实验操作和数据记录难度大，较难同步显示多个参数随温度变化的曲线等缺点。

为解决上述问题，基于美国国家仪器公司(简称NI)的NI myDAQ数据采集器[7-9]、NI USB6009数据采集器[10-12]，用LabVIEW设计和制作温度传感器温度特性测量系统，方便灵活，速度快，精度高，易于实现。并用该系统测量了Cu50铜电阻、NTC热敏电阻、PN结电压和AD590电流型集成电路温度传器的温度特性。

1 温度传感器的温度特性测量系统

1.1 测量系统硬件结构

测量系统原理框图如图1所示，核心是1台NI myDAQ数据采集器和1台NI USB6009数据采集器。NI myDAQ采集器提供2个A/D转换精度达到16 b的差分式模拟信号输入通道CH5和CH6，分别采集2个恒流源的输出电流；NI USB6009采集器提供4个A/D转换精度达到14 b的差分式模拟输入通道CH1～CH4，分别采集4个温度传感器的输出电压。恒流源A向Cu50铜电阻RCu50温度传感器提供恒定电流IA，并流经定值采样电阻R3；恒流源B向NTC热敏电阻RNTC温度传感器提供恒定电流IB，并流经定值采样电阻R4。电阻R3和电阻R4上的电压降U4和U6由NI myDAQ采集，如图1的CH5、CH6通道所示，并计算出恒流源A和恒流源B的实际输出电流值IA和IB。AD590是一种电流型集成电路温度传感器，其输出电流大小与温度成正比，线性度极好，输出的电流I1在采样电阻R1上产生电压降，经电压跟随器进行功放后的电压为U1，连同PN结温度传感器输出电压U2，Cu50铜电阻温度传感器两端电压U3，NTC热敏电阻温度传感器2端电压U5由NI USB6009相应通道采集，分别如图1的CH1、CH2、CH3和CH4所示。

1.2 测量系统软件结构

自行设计和编制的基于LabVIEW的测控软件包括实验介绍、参数设定、温度传感器数据采集、实时显示、数据记录及保存和数据分析等几个主要的功能，其中温度传感器温度特性数据采集功能的前面板如图2所示。实验介绍是对实验仪器、内容、方法、步骤、数据

图1 测量系统原理框图

处理、注意事项、结果分析与讨论等进行说明；参数设定是对测量时间和记录数据量进行设置；数据采集是对上述的U1～U66个电压值进行测量[13-16]。数据处理部分,对AD590，根据式I1=U1/R1和t(K)=I/1 μA计算出被测温度t；对Cu50铜电阻值,根据式RCu50=U3/IA计算；对NTC热敏电阻值RNTC,根据式RNTC=U5/IB计算。Cu50铜电阻、NTC热敏电阻和PN结电压随温度变化关系曲线被同时显示出来，能同步直观地对比不同传感器的温度特性。

图2 实验测控软件前面板图

2 实验结果

用上述实验系统测得Cu50铜电阻值RCu50、NTC热敏电阻值RNTC和9 013 PN结电压UPN随温度t变化的关系曲线如图3所示。数据点足够多，可以连成光滑的曲线。由图可见，RCu50随温度升高线性增大；RNTC随温度升高按指数衰减；UPN随温度升高线性衰减。在测量系统的数据分析模块中分别采用线性函数对测量数据进行拟合，结果如图3拟合关系式部分所示，RCu50、UPN和lnRNTC的拟合方程分别为:

(1)

其中:t为摄氏温度;T为热力学温度。所有拟合直线的相关系数均大于0.999 50，线性度很好。由式(1)可得Cu50铜电阻温度传感器的电阻温度系数为A/R0=4.064 0×10-3(℃-1)，0 ℃时的电阻为R0=50.304 Ω；PN结电压温度传感器的电压温度系数为K=-2.224 4×10-3(V·℃-1)，0 ℃时的结电压为U0=0.653 67 V。分析模块中还根据式(1)直接给出了RNTC的表达式，即

RNTC=A·eB/T=0.055 890·e3 213.2/T

(2)

结果与理论相符。

图3 Cu50铜电阻、NTC热敏电阻和PN结电压随温度变化拟合曲线

3 讨论与分析

为了和分立仪器测量结果进行对比，还采用TH2811D LCR交流数字电桥、RIGOL DM3051台式数字万用表和HJK-100型温度控制仪分别测量了RCu50、RNTC和UPN的数值，结果分别如图4中(b)、(d)、(f)的空点、空心三角形和黑点所示，图中(a)、(c)、(e)3条曲线为实验系统测量结果。为了方便比较，作图时将分立仪器测得的RNTC值除以100，将UPN测量值乘以10。对图4中分立仪器测得实验点进行拟合，结果为

(3)

所有拟合直线的相关系数均大于0.999 35，线性度很好。由式(3)可得Cu50的电阻温度系数为A/R0=3/888×10-3(℃-1)，与实验系统测量结果相比，相对误差为4.58%；0 ℃时的电阻为R0=50.296 Ω，相对误差0.014%。由式(3)可得PN结传感器的K=-2.22×10-3(V·℃-1)，相对误差0.45%；U0=0.663 39 V，相对误差1.64%。可见实验系统测量结果和分立仪器的测量结果符合的很好。

4 结 语

在研究探讨温度传感器温度特性，可采用本实验系统。利用NI myDAQ和NI USB6009 6个差分输入通道同时测量，直观定量观测电阻或电压随温度变化实时动态关系曲线。各参数准确，重复性好，新系统完全可以替代原分立仪器测量系统。

图4 实验系统和分立仪器测量结果对比

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Data-collector Based Experimental System of Temperature Characteristics

LIAODe-ju，SHENHan，CUIXin-tu，FENGRao-hui，WANGGang，FANGYi-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

中山大学实验教学改革基金项目资助课题(YJ201109)

廖德驹(1967-)，男，广东肇庆人，硕士，助理工程师，从事大学物理实验教学与研究工作。E-mail:stsldj@mail.sysu.edu.cn

沈 韩(1973-)，男，广东潮州人，博士，副教授，从事大学物理实验教学与研究工作。E-mail:shenhan@mail.sysu.edu.cn

O 4-39;O 4-33

A

1006-7167(2016)01-0111-03