基于LabVIEW的熱電偶傳感器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐啟　成妍妍　龍翠翠

關(guān)鍵詞：熱電偶傳感器;LabVIEW;虛擬仿真

中圖分類號：TP337 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，隨著高等職業(yè)院校的增加和招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對于設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入巨大且儀器設(shè)備更新?lián)Q代較快的高職應(yīng)用技術(shù)型專業(yè)，部分學(xué)校現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源已不能完全滿足實(shí)踐教學(xué)需求。尤其在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，部分實(shí)驗(yàn)儀器更新?lián)Q代速度較慢，同時(shí)實(shí)驗(yàn)耗材投入較大，有限的辦學(xué)經(jīng)費(fèi)已經(jīng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊或短缺現(xiàn)象較為普遍，學(xué)校整體實(shí)驗(yàn)條件已遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)地區(qū)。當(dāng)前高職類專業(yè)學(xué)生中大部分存在基礎(chǔ)不扎實(shí)、動手能力弱、學(xué)習(xí)主動性不強(qiáng)等問題，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短缺和落后問題對學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力的提升產(chǎn)生了極大的影響，已不利于學(xué)生自身專業(yè)知識學(xué)習(xí)和綜合發(fā)展。

LabVIEW以圖形化編程、簡單易操作、可根據(jù)實(shí)際需要修改虛擬儀器功能等[1]獨(dú)特優(yōu)勢，在測試測量、仿真[2-3]等領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在輔助教學(xué)中的應(yīng)用也越來越多[4-10]，一定程度上彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)設(shè)備短缺給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來的影響。基于LabVIEW軟件的熱電偶虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，主要由“數(shù)據(jù)采集”“數(shù)據(jù)庫建立”“系數(shù)擬合和繪圖”“溫度解調(diào)”四個(gè)模塊組成，具備仿真溫度數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)觀測、系數(shù)擬合和數(shù)據(jù)分析等功能。數(shù)據(jù)觀測采集中，對冷端溫度不為零的情況進(jìn)行了三種不同方式的修正處理，便于學(xué)生觀察冷端溫度對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)基本原理的理解和掌握，在傳感器課程的實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)中具有積極作用。

1實(shí)驗(yàn)原理

1.1熱電偶工作基本原理

熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的裝置，兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料A和B組成一個(gè)閉合回路，若兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度T 和T 不同，則在回路中產(chǎn)生熱電勢，形成回路電流，如圖1所示。

電路中熱電勢的大小為：

總電勢中，忽略溫差電勢大小，冷端溫度T為恒定值時(shí)，熱電勢大小為：

1.2冷端溫度校正

熱電偶傳感器測溫時(shí)，均是在冷端溫度保持在0℃的情況下得到的，數(shù)據(jù)測量中使用的配套電路和相關(guān)顯示儀器都是根據(jù)這一關(guān)系曲線刻度，在冷端溫度不為零的情況下，需要對數(shù)值加以修正。

1.2.1熱電勢溫度修正法

若冷端溫度高于0℃，則溫度測量值要小于真實(shí)值，為求出真實(shí)溫度值，利用中間溫度法則進(jìn)行修正得：

式（3）中，k為熱電偶修正系數(shù)，決定于熱電偶種類和被測溫度范圍，具體數(shù)值可以通過查看熱電偶k值表獲取。

2虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW軟件平臺，以鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）為研究對象，設(shè)計(jì)了熱電偶虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)前面板的選項(xiàng)卡可以選擇需要的功能。為了模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，在待測溫度中加入了一定的隨機(jī)誤差數(shù)據(jù)，隨機(jī)誤差不大于對應(yīng)參量值的1%，模擬數(shù)據(jù)為動態(tài)數(shù)據(jù)，每隔1s變化一次。待測溫度值固定時(shí)，可以在未對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何修正的“數(shù)據(jù)采集”界面，通過調(diào)節(jié)冷端溫度值觀測冷端溫度變化時(shí)電壓值的變化，直接感受冷端溫度的不穩(wěn)定性對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)修正后，調(diào)節(jié)冷端溫度值恒為零，熱端溫度T逐漸升高時(shí)，采集多組溫度和電壓數(shù)據(jù)，建立熱電偶傳感器數(shù)據(jù)庫，擬合出電壓和溫度曲線系數(shù)。也可根據(jù)得到的電勢值，對應(yīng)熱電偶分度表，測出待測溫度值。

2.1數(shù)據(jù)采集

圖3和圖4為冷端溫度T 不為零時(shí)數(shù)據(jù)采集前面板和程序界面。在采集界面上，冷端溫度可以在溫度計(jì)上自由設(shè)置，熱端溫度T在兩個(gè)表盤上選擇。左端表盤為熱端溫度T≥0 ℃時(shí)選用，右端表盤為熱端溫度T<0 ℃時(shí)選用，分開選用不同表盤，可以有效避免熱端溫度T 從零下向零上變化時(shí)，電壓值和熱端溫度不是完全線性的問題。冷端溫度T恒定，調(diào)整T時(shí)，可實(shí)時(shí)觀測到熱電勢的變化。數(shù)據(jù)采集完成后，在“創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫”界面完成數(shù)據(jù)儲存，便于后期調(diào)用。

2.2數(shù)據(jù)擬合及分析

“數(shù)據(jù)庫建立”界面中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求完成對仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類儲存。圖5為“系數(shù)擬合及繪圖”前面板，該界面上可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)取和系數(shù)擬合，在文件選擇處輸入數(shù)據(jù)儲存路徑，程序運(yùn)行時(shí)，擬合曲線如圖5中所示，各曲線斜率值和截距見表1所列，數(shù)據(jù)記錄見表2所列。

數(shù)據(jù)顯示冷端溫度變化時(shí)，通過熱電勢溫度修正法、溫度修正法以及冷端溫度自動補(bǔ)償法修正后，擬合出的不同情況下熱電勢E和熱端溫度T的關(guān)系曲線基本為線性關(guān)系。以鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）電壓值為參考值，熱端溫度相同時(shí)，通過三種不同方式修正后的電壓值和參考電壓值趨于相等，基本消除了冷端溫度不為零對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。其中，熱電勢溫度修正法和冷端溫度自動補(bǔ)償法得到的電壓值更接近于K型熱電偶分度表值，溫度誤差更小。熱端溫度T≥10 ℃時(shí)，各曲線線性度最好。

3結(jié)束語

基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的熱電偶傳感器仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，完成了冷端溫度的變化對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的直接數(shù)據(jù)觀測，完成了冷端溫度修正后的數(shù)據(jù)采集、擬合和分析。實(shí)驗(yàn)表明，虛擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反饋熱端溫度變化時(shí)熱電勢的變化，基本消除了冷端溫度不為零對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)效果較好，在傳感器實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)中，有助于提升學(xué)生對理論知識和實(shí)驗(yàn)原理的理解和掌握，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。