一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统及测量方法，系统包括参数设定模块、通讯模块、数据处理模块和显示模块。其中，参数设定模块用于用户输入参数、指令和调节系数；通讯模块用于与下位机进行串口通讯，发送指令或接收数据；数据处理模块用于对数据进行电流转换运算，并计算出具体的电阻率；显示模块用于计算结果的显示与接收数据的显示。本发明以LabVIEW为软件平台，搭建了友好的用户界面，操作方便，大大缩减了开发周期并节约了开发成本，并能实时采集、处理与显示；能有效地解决热电材料电阻率随温度变化产生的非线性误差，能准确测量出材料的电阻率，减少珀尔帖与塞贝克效应对热电材料电阻率测量的影响，从而提高电阻率的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术、虚拟仪器技术、热电材料性能测试领域，特别涉及 一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统及测量方法。

背景技术

能源危机与环境污染是现阶段社会发展面临的两大问题。绿色可再生能源 的研究已变得至关重要。半导体热电材料的热电转换作为绿色可再生能源之一， 被人们寄予了厚望。半导体热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能 和电能相互转换的新型功能材料。如何提高热电材料转换效率是现阶段研究的 关键所在。热电材料转换效率是通过热电材料的塞贝克系数、热导率和电阻率 组合得到，因此塞贝克系数、热导率和电阻率的精确测量十分重要。针对热电 材料电阻率的测量，普遍存在精度不足的问题，一方面是因为电阻率随温度的 变化产生非线性误差，且变化很大；另一方面是因热电材料内阻存在，当电流 流过时会产生额外的焦耳热，并与加热源或珀尔贴热叠加，从而对热电材料性 能测量产生影响，尤其是电阻率的测量。同时，系统拥有良好的用户界面，并 能实现手动测量与自动测量的切换。

发明内容

为了解决热电材料电阻率测量精度不足，受焦耳热影响的问题，本发明提 供一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统及测量方法，能实现高精度的 测量，可控频率的电流换向功能，并拥有自动测量与友好的用户界面。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统，包括参数设定模块、数 据处理模块、显示模块、通讯模块和下位机采集卡；所述参数设定模块用于用 户输入参数、指令和调节系数；所述通讯模块包括指令与参数发送模块与数据 接受模块；所述指令与参数发送模块用于LabVIEW向下位机发送操作指令和操 作参数；所述数据接受模块用于接收下位机发送的具体数据；所述数据处理模 块的用于将下位机发送到LabVIEW的数据进行电流转换运算，并计算出具体的 电阻率，并得出相应结果；所述显示模块用于计算结果的显示与接收数据的显 示。

作为优选的，所述参数设定模块的输入量包括手动测量、自动测量、热电 材料的长度、宽度、高度、表面积、换向时间与算法调节的系数。

作为优选的，所述指令与参数发送模块将参数设定模块的输入量提取并分 解出操作指令与操作参数，并将相对应的指令与参数捆绑在一起，以串口的形 式传输至下位机。

作为优选的，所述数据接受模块将下位机检测到的电压值传输至LabVIEW， 用于电流转换运算，并计算出具体的电阻率；所述电压值数据包括被测热电材 料两端的电压值和基准电压的输出值；所述基准电压的输出值是以参数设定模 块设定的输出值为目标的实际输出值。

作为优选的，所述数据处理模块包括手动处理模块和自动处理模块；

所述手动处理模块以离散增量式PID算法为基础，通过参数设定模块设定 目标值与调节系数的值，从数据接收模块接收下位机测量到的具体基准电压输 出值，以离散增量式PID公式计算出实际输出值与目标理想值的误差，并与上 次的实际基准电压输出值相加，得到本次的基准电压输出值，同时手动处理的 选档需要手动输入数值；

所述自动处理模块需要结合基准电压输出值与下位机采样电阻的数字而完 成，系统初始化后，基准电压输出值为最大，而下位机采样电阻选择为最小， 当接收到数据接收模块的具体电压数据后，用于收敛判断，若符合要求，则保 持原状；若不符合，则减少基准电压的输出或增大采样电阻的阻值，同时基准 电压的调节优先于采样电阻的调节，即先保持采样电阻不变，降低基准电压值， 若基准电压降低至极限值，则增加采样电阻值，并重置基准电压值的输出。。

作为优选的，所述显示模块包括数据接收模块的数据显示、测量结果是否 合格的显示和电阻率计算得出的结果显示。

本发明还提供一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统的测量方法， 该方法包括下述步骤：

A、在用户界面中按下运行按钮，系统进入初始化，并进入死循环直到退 出按钮被按下；

B、在用户界面输入基准电压输出值的目标值、增量PID算法的调节参数、 电流换向电路的换向时间和手动选档的数值；

C、进行电流换向时间的处理，若时间符合，则进行换向指令输出；若不符 合，则保持上一次的输出值，并以串口传输至下位机，同时选档电路的数值也 一起捆绑传输至下位机；

D、判断手动测量或自动测量，若选择手动测量则运行离散增量式PID算法； 若选择自动测量则运行自动寻找基准电压输出值与采样电阻的算法；

E、无论D步骤选择自动测量，还是手动测量，都需要将基准电压的输出值 进行分解，分解为无符号的八进制数值，并将数值以串口的形式与指令一起传 输至下位机；

F、基准电压值输出后，要发送指令到下位机，进行具体电压值的采集；

G、接收数据接收模块发送来的数据，并对数据进行数值转换，用于电阻率 的计算；

H、结合存储在LabVIEW中的具体采样电阻值，利用采集的基准电压输出 值可以计算得到电路中电流的实际值，并利用采集的热电材料两端的电压值求 出热电材料两端的压差，最后以R＝U/I求出热电材料的电阻值，结合热电材料 的长度、宽度、高度与表面积求出热电材料的电阻率；

I、将数据接收模块中得到的数据与计算得出的具体电阻率以数值的形式显 示在用户界面中，同时结合合格灯的显示，可以判定系统测量的电阻率是否合 格；

J、若没有按下退出按钮，则重复执行C、D、E、F、G、H和I步骤；若按 下退出按钮，则退出系统。

作为优选的，步骤D中，手动测量的具体方法为：

所述手动测量通过参数设定模块设定目标值与调节系数的值，从数据接收 模块接收下位机测量到的具体基准电压输出值，以离散增量式PID公式计算出 实际输出值与目标理想值的误差，并将误差与上次的实际基准电压输出值相加， 得到本次的基准电压输出值，同时手动处理的选档需要手动输入数值。

作为优选的，所述自动测量的方法为：

所述自动测量需要结合基准电压输出值与下位机采样电阻的数字而完成， 系统初始化后，基准电压输出值为最大，而下位机采样电阻选择为最小，当接 收到数据接收模块的具体电压数据后，用于收敛判断，若符合要求，则保持原 状；若不符合，则减少基准电压的输出或增大采样电阻的阻值，同时基准电压 的调节优先于采样电阻的调节，即先保持采样电阻不变，降低基准电压值，若 基准电压降低至极限值，则增加采样电阻值，并重置基准电压值的输出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统，以LabVIEW为软件平 台，搭建了友好的用户界面，操作方便，大大缩减了开发周期并节约了开发成 本，并能实时采集、处理与显示数据；能实现大范围的电阻率测量，范围为欧 姆级-兆欧级，能很好的解决热电材料电阻率随温度变化非线性的问题，能准确 测量出实际电阻率；同时定时电流换向电路能定时转变电流的流经方向，减少 珀尔贴与塞贝克效应对热电材料电阻率测量的影响，提高电阻率的精度。同时， 基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统还可以利用在普通电阻的测量上。

附图说明

图1为本发明的测量系统组成结构框图。

图2为本发明的测量方法及程序程图。

图3(a)、图3(b)分别为本发明的手动测量与自动测量的程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统包括参数设定 模块、通讯模块、数据处理模块和显示模块；所述参数设定模块用于用户输入 参数、指令和调节系数；所述通讯模块包括指令与参数发送模块与数据接受模 块；所述指令与参数发送模块用于LabVIEW向下位机发送操作指令和操作参数； 所述数据接受模块用于接收下位机发送的具体数据；所述数据处理模块的作用 是将下位机发送到LabVIEW的数据进行算法处理，并得出相应结果；所述显示 模块用于计算结果的显示与接收数据的显示；

所述参数设定模块输入量包括手动测量、自动测量、热电材料的长度、宽 度、高度、表面积、换向时间与算法调节的系数。

所述指令与参数发送模块会将参数设定模块的输入量提取并分解出操作指 令与操作参数，并将相对应的指令与参数捆绑在一起，以串口的形式传输至下 位机。

所述数据接受模块将下位机检测到的电压值传输至LabVIEW，用于电流转 换运算，并计算出具体的电阻率；所述电压值数据包括被测热电材料两端的电 压值和基准电压的输出值；所述基准电压的输出值是以参数设定模块设定的输 出值为目标的实际输出值。

所述数据处理模块包括手动处理模块和自动处理模块；所述手动处理模块 以离散增量式PID算法为基础，通过参数设定模块设定目标值与调节系数的值， 从数据接收模块接收下位机测量到的具体基准电压输出值，以离散增量式PID 公式计算出实际输出值与目标理想值的误差，并与上次的实际基准电压输出值 相加，得到本次的基准电压输出值，同时手动算法的选档需要手动输入数值； 所述自动处理模块需要结合基准电压输出值与下位机采样电阻的数字而完成， 系统初始化后，基准电压输出值为最大，而下位机采样电阻选择为最小，当接 收到数据接收模块的具体电压数据后，用于算法判断，若符合要求，则保持原 状；若不符合，则减少基准电压的输出或增大采样电阻的阻值，同时基准电压 的调节优先于采样电阻的调节，即先保持采样电阻不变，降低基准电压值，若 基准电压降低至极限值，则增加采样电阻值，并重置基准电压值的输出。

所述显示模块包括数据接收模块的数据显示、测量结果是否合格的显示和 电阻率计算得出的结果显示。

如图2所示，所述一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统的测量方 法，包括下述步骤：

a、在用户界面中按下运行按钮，系统进入初始化，并进入死循环直到退出 按钮被按下；

b、在用户界面输入基准电压输出值的目标值、离散增量式PID算法的调节 参数、电流换向电路的换向时间和手动选档的数值；

c、进行电流换向时间的处理，若时间符合，则进行换向指令输出；若不符 合，则保持上一次的输出值，并以串口传输至下位机，同时选档电路的数值也 一起捆绑传输至下位机；

d、判断手动测量或自动测量，若选择手动测量则运行离散增量式PID算法； 若选择自动测量则运行自动寻找基准电压输出值与采样电阻的算法；

所述手动测量与自动测量的流程图如图3所述；

e、无论D步骤选择自动测量，还是手动测量，都需要将基准电压的输出值 进行分解，分解为无符号的八进制数值，并将数值以串口的形式与指令一起传 输至下位机；

f、基准电压值输出后，要发送指令到下位机，进行具体电压值的采集；

g、接收数据接收模块发送来的数据，并对数据进行数值转换，用于电阻率 的计算；

h、结合存储在LabVIEW中的具体采样电阻值，利用采集的基准电压输出 值可以计算得到电路中电流的实际值，并利用采集的热电材料两端的电压值求 出热电材料两端的压差，最后以R＝U/I求出热电材料的电阻值，结合热电材料 的长度、宽度、高度与表面积求出热电材料的电阻率；

i、将数据接收模块中得到的数据与计算得出的具体电阻率以数值的形式显 示在用户界面中，同时结合合格灯的显示，可以判定系统测量的电阻率是否合 格；

j、若没有按下退出按钮，则重复执行c、d、e、f、g、h和i步骤；若按下 退出按钮，则退出系统。

手动测量举例说明：

基准电压的限制为1V，且固定基准电压的输出值不变，手动改变采样电阻 的具体阻值，在合格灯为绿灯的情况下读取测量的电阻率数据；手动测量和自 动测量的方法如图3(a)和图3(b)所示。

表1为手动测量的具体数据

表1

自动测量举例说明：

基准电压的输出和采样电阻的阻值是自动寻找的，好多种组合方式；类似 的，等合格灯转为绿色后才能读取电阻率的测量值，合格灯转为绿色后的数据 才是准确测量的数据；

表2为自动测量的具体数据

表2

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。