廖德駒， 沈 韓， 崔新圖， 馮饒慧， 王 鋼， 方奕忠

(中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

廖德駒， 沈 韓， 崔新圖， 馮饒慧， 王 鋼， 方奕忠

(中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)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(jì)和制作了能同時(shí)測(cè)量4種溫度傳感器溫度特性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄并直觀顯示溫度傳感器輸出參數(shù)隨溫度的變化過(guò)程，還可根據(jù)需求設(shè)定數(shù)據(jù)記錄時(shí)長(zhǎng)及數(shù)據(jù)量。用該系統(tǒng)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用分立式傳統(tǒng)儀器測(cè)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(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要課題[1-5]。目前，利用多個(gè)分立儀器同時(shí)測(cè)量多個(gè)傳感器輸出參數(shù)隨溫度變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法被廣泛采用，如熱學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置可同時(shí)測(cè)量四個(gè)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(cè)量?jī)x器多，實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)記錄難度大，較難同步顯示多個(gè)參數(shù)隨溫度變化的曲線等缺點(diǎn)。

為解決上述問(wèn)題，基于美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)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(jì)和制作溫度傳感器溫度特性測(cè)量系統(tǒng)，方便靈活，速度快，精度高，易于實(shí)現(xiàn)。并用該系統(tǒng)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)

1.1 測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，核心是1臺(tái)NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器和1臺(tái)NI USB6009數(shù)據(jù)采集器。NI myDAQ采集器提供2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16 b的差分式模擬信號(hào)輸入通道CH5和CH6，分別采集2個(gè)恒流源的輸出電流；NI USB6009采集器提供4個(gè)A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)到14 b的差分式模擬輸入通道CH1～CH4，分別采集4個(gè)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(jì)算出恒流源A和恒流源B的實(shí)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(jìn)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(cè)量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

自行設(shè)計(jì)和編制的基于LabVIEW的測(cè)控軟件包括實(shí)驗(yàn)介紹、參數(shù)設(shè)定、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄及保存和數(shù)據(jù)分析等幾個(gè)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(shí)驗(yàn)介紹是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、內(nèi)容、方法、步驟、數(shù)據(jù)

圖1 測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

處理、注意事項(xiàng)、結(jié)果分析與討論等進(jìn)行說(shuō)明；參數(shù)設(shè)定是對(duì)測(cè)量時(shí)間和記錄數(shù)據(jù)量進(jìn)行設(shè)置；數(shù)據(jù)采集是對(duì)上述的U1～U66個(gè)電壓值進(jìn)行測(cè)量[13-16]。數(shù)據(jù)處理部分,對(duì)AD590，根據(jù)式I1=U1/R1和t(K)=I/1 μA計(jì)算出被測(cè)溫度t；對(duì)Cu50銅電阻值,根據(jù)式RCu50=U3/IA計(jì)算；對(duì)NTC熱敏電阻值RNTC,根據(jù)式RNTC=U5/IB計(jì)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(shí)顯示出來(lái)，能同步直觀地對(duì)比不同傳感器的溫度特性。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)控軟件前面板圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)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(diǎn)足夠多，可以連成光滑的曲線。由圖可見(jiàn)，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(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊中分別采用線性函數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)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(shí)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(shí)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(dá)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(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，還采用TH2811D LCR交流數(shù)字電橋、RIGOL DM3051臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表和HJK-100型溫度控制儀分別測(cè)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(diǎn)、空心三角形和黑點(diǎn)所示，圖中(a)、(c)、(e)3條曲線為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果。為了方便比較，作圖時(shí)將分立儀器測(cè)得的RNTC值除以100，將UPN測(cè)量值乘以10。對(duì)圖4中分立儀器測(cè)得實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果相比，相對(duì)誤差為4.58%；0 ℃時(shí)的電阻為R0=50.296 Ω，相對(duì)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(duì)誤差0.45%；U0=0.663 39 V，相對(duì)誤差1.64%。可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和分立儀器的測(cè)量結(jié)果符合的很好。

4 結(jié) 語(yǔ)

在研究探討溫度傳感器溫度特性，可采用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用NI myDAQ和NI USB6009 6個(gè)差分輸入通道同時(shí)測(cè)量，直觀定量觀測(cè)電阻或電壓隨溫度變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線。各參數(shù)準(zhǔn)確，重復(fù)性好，新系統(tǒng)完全可以替代原分立儀器測(cè)量系統(tǒng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和分立儀器測(cè)量結(jié)果對(duì)比

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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(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革基金項(xiàng)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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