基于NI数据采集卡的铂电阻温度系数测量

徐一清，周益民，周国泉，倪涌舟

(浙江农林大学 光机电工程学院，江苏 杭州 311300)

用非平衡电桥测铂电阻温度系数是大学物理实验课中开设比较普遍的热学实验[1-3]。传统实验过程中需要人工读数，手动记录温度和电压数据，在另外的平台使用第三方工具进行绘图和计算。这种方法步骤繁琐，效率低下，采集的数据量少，只能看到数据本身，不能同步观察数据的变化趋势，更难以捕捉物理量快速变化过程中的细节。随着计算机的广泛应用和信息技术的快速发展，实验教学的数字化、信息化及相关资源的共享利用已成我国当前实验教学发展的热点话题[4,5]。目前，基于LabVIEW的数据采集实验平台作为实验教学辅助系统在高校广泛使用，尤其是在工程学和物理学等学科领域[6-10]。

基于美国国家仪器公司(简称NI)的NI USB-6210数据采集卡，用LabVIEW设计了铂电阻温度系数自动测量系统[11，12]。该系统克服了传统实验的诸多弊端，由“传感器+NI数据采集卡+实验软件LabVIEW+计算机”构成，实现了温度和非平衡电桥输出电压数据在计算机上的自动采集和处理，以及电压温度变化曲线实时显示和存储功能，实验求得的铂电阻温度系数与理论值相吻合。

1 实验原理

Pt100铂电阻是一种利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的温度传感器。铂的物理化学性质都非常稳定，电阻率较高、线性度好，容易批量生产。因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温，以及作为温度标准使用[1]。在0～100 ℃范围内，铂的输出电阻Rt的表达式近似线性，为

Rt=R0(1+At).

(1)

式中，A为温度系数，近似为3.85×10-3(℃)-1。R0为温度0 ℃时，铂电阻输出的电阻值，Pt100铂电阻R0=100 Ω。

使用非平衡电桥测量铂电阻温度系数的电路结构如图1(a)所示。R1、R2为固定电阻，组成比例电阻；RP为可调电阻，用作平衡电阻；RT为铂电阻Pt100；Uout为非平衡电桥的输出电压。当电源的输出电压E一定时，非平衡电桥的输出电压

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

(2)

令

I1=E/(R1+RT)

(3)

I2=E/(R2+RP)

(4)

则有

Uout=I1RT-I2RP

(5)

若取R1=R2，且R1≫RT，R2≫RP，则有

I1≈I2

(6)

Uout=I1(RT-RP)

(7)

设总电流为I，则

(8)

(9)

令RP等于铂电阻在0 ℃(tp为0 ℃)时的阻值R0，并将式(1)代入式(9)，则有

(10)

2 实验设计

2.1 实验系统硬件结构

基于NI数据采集卡的铂电阻温度系数测量系统由硬件电路、数据采集卡和LabVIEW上位机软件三部分组成，实验系统原理框图如图1所示。

图1 实验系统原理框图

系统采用的数据采集卡是NI USB-6210，它是一款USB总线供电M系列多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度，是测试、控制和设计应用的理想选择[13]。USB-6210引脚如图2所示，该模块提供了8路A/D转换精度达到16位的差分式模拟信号输入通道，采样率可达250 kS/s。在实验中，AI 0通道采集非平衡电桥输出电压Uout，AI 1通道采集加热炉温度传感器输出信号，两路信号均采用差分配置接线。

图2 USB-6210引脚图

按照图1(a)连接非平衡电桥测量电路，其中R1、R2、RP用ZX21型直流电阻箱设置，Rt为铂电阻Pt100。取R1=R2=9 000 Ω，RP=100 Ω。开启直流稳压电源，调节输出电压至毫安表读数为4 mA，并且在以后的实验过程中保持总电流为4 mA不变。将铂电阻Pt100插入加热炉内，所用加热炉为FB203型恒流智能控温实验仪，连接图如图3所示。将加热炉设定温度设置为100 ℃，然后将加热选择挡位开关调至“低”，开始持续均匀升温。数据采集卡将采集的两路差分信号通过USB接口传输至上位机。

图3 FB203型恒流智能控温实验仪连接图

2.2 实验系统软件结构

实验上位机系统软件是基于LabVIEW平台开发的，由前面板程序界面和后面板程序框图两部分组成[14]，软件流程图如图4所示[15]。基于LabVIEW的测控程序包括参量设定、加热炉温度和非平衡电桥输出电压数据采集、温度时间变化曲线和电压时间变化曲线实时显示、数据记录及保存、数据分析计算和自动游标获取任意位置数据等主要功能。

图4 测量系统软件流程图

软件的前面板如图5所示，LabVIEW后面板程序设计与前面板功能一一对应，如图6所示。

图5 实验系统软件前面板图

图6 LabVIEW程序框图

参量设定模块可对采样通道、采样模式、采样率等进行设置；本实验设置采样通道为AI 0和AI 1两路通道，采样模式设置为差分，和接线端保持一致，由于加热炉升温较为缓慢，采样率设置为1 Hz；数据采集模块可对加热炉温度和非平衡电桥输出电压进行实时测量，实验设置为1秒采集一次数据，加热炉从室温加热至94 ℃，共采集1230组数据；数据显示模块上位机波形图表实时显示温度和电压数据，便于测量者直观地查看和初步分析；数据处理模块可实时读取数据缓冲区里的温度和电压数据，绘制U-Δt变化曲线，用最小二乘法拟合计算曲线斜率和铂电阻温度系数；数据记录模块实现原始数据存储功能，通过LabVIEW中的簇功能将时间数据、温度数值、电压数值等数据捆绑到一起，再经过移位寄存器变成数组存入到制定的Excel表格中，方便后续的数据查看、提取和处理。另外U-Δt变化曲线图增加了自动游标，可获取任意位置的坐标数据。

3 结果与讨论

实验整个系统是利用LabVIEW的DAQmx驱动程序对数据采集模块进行配置，由于采集的两路信号强度较弱，均为毫伏级，在进行温度和电压数据采集的过程中，电磁干扰或零点漂移会引起电压的上下浮动，从而使测量的数据值出现小范围的波动，导致测量的结果精度降低，但误差均在允许范围之内。

将LabVIEW程序采集的电压温度原始数据文件(excel格式，内含1230个数据)导入SigmaPlot软件处理实验数据[16]，可以得U-Δt曲线，使用最小二乘法对实验数据进行拟合，拟合结果：ελ=0.7626x-0.031，标准偏差ERMSE=0.000 6，相关系数R=0.999 6。拟合的精度较高，拟合曲线如图7所示。拟合求出斜率k=0.762 6，与LabVIEW程序拟合的结果一致。

温度/℃

4 结 语

基于NI数据采集卡的铂电阻温度系数测量系统实现了数据的自动化测量，智能分析与处理，还实现了电压温度变化曲线实时显示和存储功能，提高了实验的可视化和自动化程度，更好的满足了科研测试和教学实验的要求。让学生把实践的重点放在对整个实验过程原理的理解和结果的分析探究上，而不是花费更多的时间在数据记录、计算和手工作图上，从而提高了实验的效率，教学效果良好。