一種基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及測量技術、虛擬儀器技術、熱電材料性能測試領域，特別涉及一種基于 LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統及測量方法。
【背景技術】
[0002] 能源危機與環境污染是現階段社會發展面臨的兩大問題。綠色可再生能源的研究 已變得至關重要。半導體熱電材料的熱電轉換作為綠色可再生能源之一，被人們寄予了厚 望。半導體熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能相互轉換的新型功能 材料。如何提高熱電材料轉換效率是現階段研究的關鍵所在。熱電材料轉換效率是通過熱 電材料的塞貝克系數、熱導率和電阻率組合得到，因此塞貝克系數、熱導率和電阻率的精確 測量十分重要。針對熱電材料電阻率的測量，普遍存在精度不足的問題，一方面是因為電阻 率隨溫度的變化產生非線性誤差，且變化很大；另一方面是因熱電材料內阻存在，當電流流 過時會產生額外的焦耳熱，并與加熱源或珀爾貼熱疊加，從而對熱電材料性能測量產生影 響，尤其是電阻率的測量。同時，系統擁有良好的用戶界面，并能實現手動測量與自動測量 的切換。
【發明內容】
[0003] 為了解決熱電材料電阻率測量精度不足，受焦耳熱影響的問題，本發明提供一種 基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統及測量方法，能實現高精度的測量，可控頻率的 電流換向功能，并擁有自動測量與友好的用戶界面。
[0004] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0005] 本發明基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統，包括參數設定模塊、數據處理 模塊、顯示模塊、通訊模塊和下位機采集卡；所述參數設定模塊用于用戶輸入參數、指令和 調節系數；所述通訊模塊包括指令與參數發送模塊與數據接受模塊；所述指令與參數發送 模塊用于LabVIEW向下位機發送操作指令和操作參數；所述數據接受模塊用于接收下位機 發送的具體數據；所述數據處理模塊的用于將下位機發送到LabVIEW的數據進行電流轉換 運算，并計算出具體的電阻率，并得出相應結果；所述顯示模塊用于計算結果的顯示與接收 數據的顯示。
[0006] 作為優選的，所述參數設定模塊的輸入量包括手動測量、自動測量、熱電材料的長 度、寬度、高度、表面積、換向時間與算法調節的系數。
[0007] 作為優選的，所述指令與參數發送模塊將參數設定模塊的輸入量提取并分解出操 作指令與操作參數，并將相對應的指令與參數捆綁在一起，以串口的形式傳輸至下位機。 [0008] 作為優選的，所述數據接受模塊將下位機檢測到的電壓值傳輸至LabVIEW，用于電 流轉換運算，并計算出具體的電阻率；所述電壓值數據包括被測熱電材料兩端的電壓值和 基準電壓的輸出值；所述基準電壓的輸出值是以參數設定模塊設定的輸出值為目標的實際 輸出值。
[0009] 作為優選的，所述數據處理模塊包括手動處理模塊和自動處理模塊；
[0010] 所述手動處理模塊以離散增量式PID算法為基礎，通過參數設定模塊設定目標 值與調節系數的值，從數據接收模塊接收下位機測量到的具體基準電壓輸出值，以離散增 量式PID公式計算出實際輸出值與目標理想值的誤差，并與上次的實際基準電壓輸出值相 加，得到本次的基準電壓輸出值，同時手動處理的選檔需要手動輸入數值；
[0011] 所述自動處理模塊需要結合基準電壓輸出值與下位機采樣電阻的數字而完成，系 統初始化后，基準電壓輸出值為最大，而下位機采樣電阻選擇為最小，當接收到數據接收模 塊的具體電壓數據后，用于收斂判斷，若符合要求，則保持原狀；若不符合，則減少基準電壓 的輸出或增大采樣電阻的阻值，同時基準電壓的調節優先于采樣電阻的調節，即先保持采 樣電阻不變，降低基準電壓值，若基準電壓降低至極限值，則增加采樣電阻值，并重置基準 電壓值的輸出。。
[0012] 作為優選的，所述顯示模塊包括數據接收模塊的數據顯示、測量結果是否合格的 顯示和電阻率計算得出的結果顯示。
[0013] 本發明還提供一種基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統的測量方法，該方法 包括下述步驟：
[0014] A、在用戶界面中按下運行按鈕，系統進入初始化，并進入死循環直到退出按鈕被 按下；
[0015] B、在用戶界面輸入基準電壓輸出值的目標值、增量PID算法的調節參數、電流換 向電路的換向時間和手動選檔的數值；
[0016] C、進行電流換向時間的處理，若時間符合，則進行換向指令輸出；若不符合，則保 持上一次的輸出值，并以串口傳輸至下位機，同時選檔電路的數值也一起捆綁傳輸至下位 機；
[0017] D、判斷手動測量或自動測量，若選擇手動測量則運行離散增量式PID算法；若選 擇自動測量則運行自動尋找基準電壓輸出值與采樣電阻的算法；
[0018] E、無論D步驟選擇自動測量，還是手動測量，都需要將基準電壓的輸出值進行分 解，分解為無符號的八進制數值，并將數值以串口的形式與指令一起傳輸至下位機；
[0019] F、基準電壓值輸出后，要發送指令到下位機，進行具體電壓值的采集；
[0020] G、接收數據接收模塊發送來的數據，并對數據進行數值轉換，用于電阻率的計 算；
[0021] H、結合存儲在LabVIEW中的具體采樣電阻值，利用采集的基準電壓輸出值可以計 算得到電路中電流的實際值，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，結合熱電材料的長度、寬度、高度與表面積求出 熱電材料的電阻率；
[0022] I、將數據接收模塊中得到的數據與計算得出的具體電阻率以數值的形式顯示在 用戶界面中，同時結合合格燈的顯示，可以判定系統測量的電阻率是否合格；
[0023] J、若沒有按下退出按鈕，則重復執行C、D、E、F、G、H和I步驟；若按下退出按鈕，則 退出系統。
[0024] 作為優選的，步驟D中，手動測量的具體方法為：
[0025] 所述手動測量通過參數設定模塊設定目標值與調節系數的值，從數據接收模塊接 收下位機測量到的具體基準電壓輸出值，以離散增量式PID公式計算出實際輸出值與目標 理想值的誤差，并將誤差與上次的實際基準電壓輸出值相加，得到本次的基準電壓輸出值， 同時手動處理的選檔需要手動輸入數值。
[0026] 作為優選的，所述自動測量的方法為：
[0027] 所述自動測量需要結合基準電壓輸出值與下位機采樣電阻的數字而完成，系統初 始化后，基準電壓輸出值為最大，而下位機采樣電阻選擇為最小，當接收到數據接收模塊的 具體電壓數據后，用于收斂判斷，若符合要求，則保持原狀；若不符合，則減少基準電壓的輸 出或增大采樣電阻的阻值，同時基準電壓的調節優先于采樣電阻的調節，即先保持采樣電 阻不變，降低基準電壓值，若基準電壓降低至極限值，則增加采樣電阻值，并重置基準電壓 值的輸出。
[0028] 本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
[0029] 本發明基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統，以LabVIEW為軟件平臺，搭建了 友好的用戶界面，操作方便，大大縮減了開發周期并節約了開發成本，并能實時采集、處理 與顯示數據；能實現大范圍的電阻率測量，范圍為歐姆級-兆歐級，能很好的解決熱電材料 電阻率隨溫度變化非線性的問題，能準確測量出實際電阻率；同時定時電流換向電路能定 時轉變電流的流經方向，減少珀爾貼與塞貝克效應對熱電材料電阻率測量的影響，提高電 阻率的精度。同時，基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統還可以利用在普通電阻的測 量上。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明的測量系統組成結構框圖。
[0031] 圖2為本發明的測量方法及程序程圖。
[0032] 圖3(a)、圖3(b)分別為本發明的手動測量與自動測量的程序流程圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。
[0034] 實施例
[0035] 如圖1所示，一種基于LabVIEW的熱電材料電阻率測量系統包括參數設定模塊、 通訊模塊、數據處理模塊和顯示模塊；所述參數設定模塊用于用戶輸入參數、指令和調節系 數；所述通訊模塊包括指令與參數發送模塊與數據接受模塊；所述指令與參數發送模塊用 于LabVIEW向下位機發送操作指令和操作參數；所述數據接受模塊用于接收下位機發送的 具體數據；所述數據處理模塊的作用是將下位機發送到LabVIEW的數據進行算法處理，并 得出相應結果；所述顯示模塊用于計算結果的顯示與接收數據的顯示；
[0036] 所述參數設定模塊輸入量包括手動測量、自動測量、熱電材料的長度、寬度、高度、 表面積、換向時間與算法調節的系數。
[0037] 所述指令與參數發送模塊會將參數設定模塊的輸入量提取并分解出操作指令與 操作參數，并將相對應的指令與參數捆綁在一起，以串口的形式傳輸至下位機。
[0038] 所述數據接受模塊將下位機檢測到的電壓值傳輸至LabVIEW，用于電流轉換運算， 并計算出具體的電阻率；所述電壓值數據包括被測熱電材料兩端的電壓值和基準電壓的輸 出值；所述基準電壓的輸出值是以參數設定模塊設定的輸出值為目標的實際輸出值。
[0039] 所述數據處理模塊包括手動處理模塊和自動處理模塊；所述手動處理模塊以離散 增量式PID算法為基礎，通過參數設定模塊設定目標值與調節系數的值，從數據接收模塊 接收下位機測量到的具體基準電壓輸出值，以離散增量式PID公式計算出實際輸出值與目 標理想值的誤差，并與上次的實際基準電壓輸出值相加，得到本次的基準電壓輸出值，同時 手動算法的選檔需要手動輸入數值；所述自動處理模塊需要結合基準電壓輸出值與下位機 采樣電阻的數字而完成，系統初始化后，基準電壓輸出值為最大，而下位機采樣電阻選擇為 最小，當接收到數據接收模塊的具體電壓數據后，用于算法判斷，若符合要求，則保持原