一種基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、熱電材料性能測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種基于 LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源危機(jī)與環(huán)境污染是現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展面臨的兩大問(wèn)題。綠色可再生能源的研究 已變得至關(guān)重要。半導(dǎo)體熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換作為綠色可再生能源之一，被人們寄予了厚 望。半導(dǎo)體熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的新型功能 材料。如何提高熱電材料轉(zhuǎn)換效率是現(xiàn)階段研究的關(guān)鍵所在。熱電材料轉(zhuǎn)換效率是通過(guò)熱 電材料的塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率和電阻率組合得到，因此塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率和電阻率的精確 測(cè)量十分重要。針對(duì)熱電材料電阻率的測(cè)量，普遍存在精度不足的問(wèn)題，一方面是因?yàn)殡娮?率隨溫度的變化產(chǎn)生非線性誤差，且變化很大；另一方面是因熱電材料內(nèi)阻存在，當(dāng)電流流 過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的焦耳熱，并與加熱源或珀?duì)栙N熱疊加，從而對(duì)熱電材料性能測(cè)量產(chǎn)生影 響，尤其是電阻率的測(cè)量。同時(shí)，系統(tǒng)擁有良好的用戶(hù)界面，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量 的切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決熱電材料電阻率測(cè)量精度不足，受焦耳熱影響的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種 基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，可控頻率的 電流換向功能，并擁有自動(dòng)測(cè)量與友好的用戶(hù)界面。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)，包括參數(shù)設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)處理 模塊、顯示模塊、通訊模塊和下位機(jī)采集卡；所述參數(shù)設(shè)定模塊用于用戶(hù)輸入?yún)?shù)、指令和 調(diào)節(jié)系數(shù)；所述通訊模塊包括指令與參數(shù)發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)接受模塊；所述指令與參數(shù)發(fā)送 模塊用于LabVIEW向下位機(jī)發(fā)送操作指令和操作參數(shù)；所述數(shù)據(jù)接受模塊用于接收下位機(jī) 發(fā)送的具體數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理模塊的用于將下位機(jī)發(fā)送到LabVIEW的數(shù)據(jù)進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換 運(yùn)算，并計(jì)算出具體的電阻率，并得出相應(yīng)結(jié)果；所述顯示模塊用于計(jì)算結(jié)果的顯示與接收 數(shù)據(jù)的顯示。
[0006] 作為優(yōu)選的，所述參數(shù)設(shè)定模塊的輸入量包括手動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量、熱電材料的長(zhǎng) 度、寬度、高度、表面積、換向時(shí)間與算法調(diào)節(jié)的系數(shù)。
[0007] 作為優(yōu)選的，所述指令與參數(shù)發(fā)送模塊將參數(shù)設(shè)定模塊的輸入量提取并分解出操 作指令與操作參數(shù)，并將相對(duì)應(yīng)的指令與參數(shù)捆綁在一起，以串口的形式傳輸至下位機(jī)。 [0008] 作為優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接受模塊將下位機(jī)檢測(cè)到的電壓值傳輸至LabVIEW，用于電 流轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并計(jì)算出具體的電阻率；所述電壓值數(shù)據(jù)包括被測(cè)熱電材料兩端的電壓值和 基準(zhǔn)電壓的輸出值；所述基準(zhǔn)電壓的輸出值是以參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定的輸出值為目標(biāo)的實(shí)際 輸出值。
[0009] 作為優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括手動(dòng)處理模塊和自動(dòng)處理模塊；
[0010] 所述手動(dòng)處理模塊以離散增量式PID算法為基礎(chǔ)，通過(guò)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定目標(biāo) 值與調(diào)節(jié)系數(shù)的值，從數(shù)據(jù)接收模塊接收下位機(jī)測(cè)量到的具體基準(zhǔn)電壓輸出值，以離散增 量式PID公式計(jì)算出實(shí)際輸出值與目標(biāo)理想值的誤差，并與上次的實(shí)際基準(zhǔn)電壓輸出值相 加，得到本次的基準(zhǔn)電壓輸出值，同時(shí)手動(dòng)處理的選檔需要手動(dòng)輸入數(shù)值；
[0011] 所述自動(dòng)處理模塊需要結(jié)合基準(zhǔn)電壓輸出值與下位機(jī)采樣電阻的數(shù)字而完成，系 統(tǒng)初始化后，基準(zhǔn)電壓輸出值為最大，而下位機(jī)采樣電阻選擇為最小，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)接收模 塊的具體電壓數(shù)據(jù)后，用于收斂判斷，若符合要求，則保持原狀；若不符合，則減少基準(zhǔn)電壓 的輸出或增大采樣電阻的阻值，同時(shí)基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)優(yōu)先于采樣電阻的調(diào)節(jié)，即先保持采 樣電阻不變，降低基準(zhǔn)電壓值，若基準(zhǔn)電壓降低至極限值，則增加采樣電阻值，并重置基準(zhǔn) 電壓值的輸出。。
[0012] 作為優(yōu)選的，所述顯示模塊包括數(shù)據(jù)接收模塊的數(shù)據(jù)顯示、測(cè)量結(jié)果是否合格的 顯示和電阻率計(jì)算得出的結(jié)果顯示。
[0013] 本發(fā)明還提供一種基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，該方法 包括下述步驟：
[0014] A、在用戶(hù)界面中按下運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，并進(jìn)入死循環(huán)直到退出按鈕被 按下；
[0015] B、在用戶(hù)界面輸入基準(zhǔn)電壓輸出值的目標(biāo)值、增量PID算法的調(diào)節(jié)參數(shù)、電流換 向電路的換向時(shí)間和手動(dòng)選檔的數(shù)值；
[0016] C、進(jìn)行電流換向時(shí)間的處理，若時(shí)間符合，則進(jìn)行換向指令輸出；若不符合，則保 持上一次的輸出值，并以串口傳輸至下位機(jī)，同時(shí)選檔電路的數(shù)值也一起捆綁傳輸至下位 機(jī)；
[0017] D、判斷手動(dòng)測(cè)量或自動(dòng)測(cè)量，若選擇手動(dòng)測(cè)量則運(yùn)行離散增量式PID算法；若選 擇自動(dòng)測(cè)量則運(yùn)行自動(dòng)尋找基準(zhǔn)電壓輸出值與采樣電阻的算法；
[0018] E、無(wú)論D步驟選擇自動(dòng)測(cè)量，還是手動(dòng)測(cè)量，都需要將基準(zhǔn)電壓的輸出值進(jìn)行分 解，分解為無(wú)符號(hào)的八進(jìn)制數(shù)值，并將數(shù)值以串口的形式與指令一起傳輸至下位機(jī)；
[0019] F、基準(zhǔn)電壓值輸出后，要發(fā)送指令到下位機(jī)，進(jìn)行具體電壓值的采集；
[0020] G、接收數(shù)據(jù)接收模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，用于電阻率的計(jì) 算；
[0021] H、結(jié)合存儲(chǔ)在LabVIEW中的具體采樣電阻值，利用采集的基準(zhǔn)電壓輸出值可以計(jì) 算得到電路中電流的實(shí)際值，并利用采集的熱電材料兩端的電壓值求出熱電材料兩端的壓 差，最后以R=U/I求出熱電材料的電阻值，結(jié)合熱電材料的長(zhǎng)度、寬度、高度與表面積求出 熱電材料的電阻率；
[0022] I、將數(shù)據(jù)接收模塊中得到的數(shù)據(jù)與計(jì)算得出的具體電阻率以數(shù)值的形式顯示在 用戶(hù)界面中，同時(shí)結(jié)合合格燈的顯示，可以判定系統(tǒng)測(cè)量的電阻率是否合格；
[0023] J、若沒(méi)有按下退出按鈕，則重復(fù)執(zhí)行C、D、E、F、G、H和I步驟；若按下退出按鈕，則 退出系統(tǒng)。
[0024] 作為優(yōu)選的，步驟D中，手動(dòng)測(cè)量的具體方法為：
[0025] 所述手動(dòng)測(cè)量通過(guò)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定目標(biāo)值與調(diào)節(jié)系數(shù)的值，從數(shù)據(jù)接收模塊接 收下位機(jī)測(cè)量到的具體基準(zhǔn)電壓輸出值，以離散增量式PID公式計(jì)算出實(shí)際輸出值與目標(biāo) 理想值的誤差，并將誤差與上次的實(shí)際基準(zhǔn)電壓輸出值相加，得到本次的基準(zhǔn)電壓輸出值， 同時(shí)手動(dòng)處理的選檔需要手動(dòng)輸入數(shù)值。
[0026] 作為優(yōu)選的，所述自動(dòng)測(cè)量的方法為：
[0027] 所述自動(dòng)測(cè)量需要結(jié)合基準(zhǔn)電壓輸出值與下位機(jī)采樣電阻的數(shù)字而完成，系統(tǒng)初 始化后，基準(zhǔn)電壓輸出值為最大，而下位機(jī)采樣電阻選擇為最小，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)接收模塊的 具體電壓數(shù)據(jù)后，用于收斂判斷，若符合要求，則保持原狀；若不符合，則減少基準(zhǔn)電壓的輸 出或增大采樣電阻的阻值，同時(shí)基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)優(yōu)先于采樣電阻的調(diào)節(jié)，即先保持采樣電 阻不變，降低基準(zhǔn)電壓值，若基準(zhǔn)電壓降低至極限值，則增加采樣電阻值，并重置基準(zhǔn)電壓 值的輸出。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0029] 本發(fā)明基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，搭建了 友好的用戶(hù)界面，操作方便，大大縮減了開(kāi)發(fā)周期并節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，并能實(shí)時(shí)采集、處理 與顯示數(shù)據(jù)；能實(shí)現(xiàn)大范圍的電阻率測(cè)量，范圍為歐姆級(jí)-兆歐級(jí)，能很好的解決熱電材料 電阻率隨溫度變化非線性的問(wèn)題，能準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際電阻率；同時(shí)定時(shí)電流換向電路能定 時(shí)轉(zhuǎn)變電流的流經(jīng)方向，減少珀?duì)栙N與塞貝克效應(yīng)對(duì)熱電材料電阻率測(cè)量的影響，提高電 阻率的精度。同時(shí)，基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)還可以利用在普通電阻的測(cè) 量上。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0031] 圖2為本發(fā)明的測(cè)量方法及程序程圖。
[0032] 圖3(a)、圖3(b)分別為本發(fā)明的手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量的程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
[0034] 實(shí)施例
[0035] 如圖1所示，一種基于LabVIEW的熱電材料電阻率測(cè)量系統(tǒng)包括參數(shù)設(shè)定模塊、 通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊；所述參數(shù)設(shè)定模塊用于用戶(hù)輸入?yún)?shù)、指令和調(diào)節(jié)系 數(shù)；所述通訊模塊包括指令與參數(shù)發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)接受模塊；所述指令與參數(shù)發(fā)送模塊用 于LabVIEW向下位機(jī)發(fā)送操作指令和操作參數(shù)；所述數(shù)據(jù)接受模塊用于接收下位機(jī)發(fā)送的 具體數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理模塊的作用是將下位機(jī)發(fā)送到LabVIEW的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，并 得出相應(yīng)結(jié)果；所述顯示模塊用于計(jì)算結(jié)果的顯示與接收數(shù)據(jù)的顯示；
[0036] 所述參數(shù)設(shè)定模塊輸入量包括手動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量、熱電材料的長(zhǎng)度、寬度、高度、 表面積、換向時(shí)間與算法調(diào)節(jié)的系數(shù)。
[0037] 所述指令與參數(shù)發(fā)送模塊會(huì)將參數(shù)設(shè)定模塊的輸入量提取并分解出操作指令與 操作參數(shù)，并將相對(duì)應(yīng)的指令與參數(shù)捆綁在一起，以串口的形式傳輸至下位機(jī)。
[0038] 所述數(shù)據(jù)接受模塊將下位機(jī)檢測(cè)到的電壓值傳輸至LabVIEW，用于電流轉(zhuǎn)換運(yùn)算， 并計(jì)算出具體的電阻率；所述電壓值數(shù)據(jù)包括被測(cè)熱電材料兩端的電壓值和基準(zhǔn)電壓的輸 出值；所述基準(zhǔn)電壓的輸出值是以參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定的輸出值為目標(biāo)的實(shí)際輸出值。
[0039] 所述數(shù)據(jù)處理模塊包括手動(dòng)處理模塊和自動(dòng)處理模塊；所述手動(dòng)處理模塊以離散 增量式PID算法為基礎(chǔ)，通過(guò)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定目標(biāo)值與調(diào)節(jié)系數(shù)的值，從數(shù)據(jù)接收模塊 接收下位機(jī)測(cè)量到的具體基準(zhǔn)電壓輸出值，以離散增量式PID公式計(jì)算出實(shí)際輸出值與目 標(biāo)理想值的誤差，并與上次的實(shí)際基準(zhǔn)電壓輸出值相加，得到本次的基準(zhǔn)電壓輸出值，同時(shí) 手動(dòng)算法的選檔需要手動(dòng)輸入數(shù)值；所述自動(dòng)處理模塊需要結(jié)合基準(zhǔn)電壓輸出值與下位機(jī) 采樣電阻的數(shù)字而完成，系統(tǒng)初始化后，基準(zhǔn)電壓輸出值為最大，而下位機(jī)采樣電阻選擇為 最小，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)接收模塊的具體電壓數(shù)據(jù)后，用于算法判斷，若符合要求，則保持原