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(dǎo)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(wěn)定性好和耐氧化等特點。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(zhǔn)確、批量的測試，具有十分重要的應(yīng)用價值。

LabVIEW(實驗室虛擬儀器工程平臺)為虛擬儀器設(shè)計者提供了一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境［3］，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)在測量與控制領(lǐng)域得到了快速廣泛的推廣應(yīng)用［4］。本文利用LabVIEW 圖形化的編程方式，設(shè)計了基于LabVIEW 的8 通道鉑電阻器自動測試系統(tǒng)。實現(xiàn)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(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

整個測試系統(tǒng)由恒溫裝置、待測傳感器、矩陣開關(guān)、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(wěn)定的溫度環(huán)境。矩陣開關(guān)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(shù)據(jù)采集模塊完成測量功能，該模塊內(nèi)部集成了高精度的電壓采集器和精密電流源。計算機通過控制器對矩陣開關(guān)和數(shù)據(jù)采集模塊進行控制，并將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集到計算機中，進行計算和處理等操作。

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

2 自動測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

自動測試系統(tǒng)的硬件主要由控制器、矩陣開關(guān)和測量部分組成，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 機箱(集成控制器)，控制器位于機箱最左端的插槽內(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，可以通過透明、高速的串口連接被計算機或其他PXI 系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集模塊采用PXI-4071 型7 位數(shù)字萬用表(DMM)。其擁有高達(dá)1.8 MS/s 的采樣率和具有業(yè)界領(lǐng)先的精度擴展校準(zhǔn)周期。與NI 開關(guān)模塊相結(jié)合，為要求嚴(yán)格的自動化測試應(yīng)用，提供了執(zhí)行高通道數(shù)、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(shù)字萬用表和數(shù)字化儀。作為數(shù)字萬用表，NI PXI-4071 可快速準(zhǔn)確地進行 ±10 nV～1000 V 范圍內(nèi)的電壓測量、±1 pA～3 A 范圍內(nèi)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(guān)采用PXI-2530 多通道開關(guān)卡，可作為高密度多配置的多路復(fù)用器或矩陣開關(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 高速測量設(shè)備，可達(dá)到多通道數(shù)據(jù)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(dāng)?shù)木?。系統(tǒng)采用四線制測量方法，使測試電流經(jīng)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(zhǔn)確度來確定電阻的數(shù)值。

控制器、矩陣開關(guān)和數(shù)字萬用表配合使用，利用了開關(guān)模塊和儀器之間的雙向通信。數(shù)字萬用表在觸發(fā)開關(guān)閉合掃描列表中下一個連接的測量后產(chǎn)生一個數(shù)字脈沖，在每個掃描列表連接之后，開關(guān)將發(fā)送脈沖，觸發(fā)數(shù)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(yōu)吞吐量。

3 自動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖3 為自動測試系統(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

測量前，須對測量系統(tǒng)進行校準(zhǔn)。本系統(tǒng)配備了各種常用阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻器，對每個通道進行校準(zhǔn)時，可選擇“通道校準(zhǔn)”。如果要對整個系統(tǒng)校準(zhǔn)，則選擇“系統(tǒng)校準(zhǔn)”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(shè)置恒溫裝置的溫度，給待測鉑電阻器提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境;2)矩陣開關(guān)的控制，主要完成控制各個通道的開和關(guān);3)數(shù)字萬用表的控制，主要完成當(dāng)矩陣開關(guān)切換完后，數(shù)字萬用表開始測量和采集。利用矩陣開關(guān)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(jié)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(shù)據(jù)采集部分由以下幾個模塊組成:1)數(shù)據(jù)采集模塊，主要完成應(yīng)變信號數(shù)據(jù)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(jié)果，可以選擇性保存數(shù)據(jù);2)分析處理模塊，主要完成對采集數(shù)據(jù)的整理，根據(jù)數(shù)據(jù)計算相關(guān)的參數(shù);3)數(shù)據(jù)顯示模塊，主要完成對實時采集數(shù)據(jù)的顯示和計算后參數(shù)的顯示;4)數(shù)據(jù)存儲模塊，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)文件的存儲與讀取。LabVIEW 中，保存數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)回放模塊，該模塊是在實驗數(shù)據(jù)回放的基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理結(jié)果和性能參數(shù)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(jié)合的方法，采用了7 位半高精度的數(shù)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(jié)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(jié)果如表1，表2 所示。

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

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

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

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW 的鉑電阻器自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了每次同時對8 只鉑電阻器的測量，滿足了科研、生產(chǎn)中對測量的快速、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)合矩陣開關(guān)和LabVIEW 軟件消除熱電動勢誤差，實現(xiàn)優(yōu)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(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2002，10(8):44 －46.

［2］ 劉少強，黃惟一.基于插值計算與優(yōu)化的鉑電阻非線性校正方法［J］.儀器儀表學(xué)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(huán)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(shù)字濾波器設(shè)計［J］.計算機應(yīng)用，2006，20(6):19 －20.

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