基于LabVIEW 的铂电阻器自动测试系统

王 冰，唐胜武，刘 慧

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

铂电阻器是利用半导体的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度的［1］，分辨率接近1 mK(0.001 ℃)，并且具有测温范围大、精度高、稳定性好和耐氧化等特点。由于在高温区铂电阻器的阻值与温度之间存在着非线性特性［2］，在复杂的电磁环境下容易受干扰，会给最后的温度测量带来一定的误差。因此，对铂电阻器进行自动、准确、批量的测试，具有十分重要的应用价值。

LabVIEW(实验室虚拟仪器工程平台)为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境［3］，随着虚拟仪器技术的发展，这一技术在测量与控制领域得到了快速广泛的推广应用［4］。本文利用LabVIEW 图形化的编程方式，设计了基于LabVIEW 的8 通道铂电阻器自动测试系统。实现了同时对8 路被测铂电阻器阻值的测量、采集、等级分类及保存打印等功能。

1 自动测试系统的总体结构

整个测试系统由恒温装置、待测传感器、矩阵开关、测量部分、控制器和计算机等六部分组成，如图1 所示。恒温装置(一般为油槽)为待测传感器提供稳定的温度环境。矩阵开关用于多通道之间的切换，将测量切换到指定通道或按指定顺序切换。测量部分主要由高精度的数据采集模块完成测量功能，该模块内部集成了高精度的电压采集器和精密电流源。计算机通过控制器对矩阵开关和数据采集模块进行控制，并将数据采集模块的数据采集到计算机中，进行计算和处理等操作。

图1 系统总体组成图Fig 1 Overall constitution diagram of system

2 自动测试系统的硬件构成

自动测试系统的硬件主要由控制器、矩阵开关和测量部分组成，如图2 所示。

图2 系统硬件组成图Fig 2 Constitution diagram of system hardware

本系统的控制器采用PXI-1033 机箱(集成控制器)，控制器位于机箱最左端的插槽内，具有MXI-Express 远程控制的110 MB/s持续处理能力。利用MXI-3(measurement extensions for instrumentation)接口工具，可以通过透明、高速的串口连接被计算机或其他PXI 系统直接控制。MXI-3接口工具包提供从计算机到PXI 机箱的84 MB PCI-PCI 连接桥。

测量部分的数据采集模块采用PXI-4071 型7 位数字万用表(DMM)。其拥有高达1.8 MS/s 的采样率和具有业界领先的精度扩展校准周期。与NI 开关模块相结合，为要求严格的自动化测试应用，提供了执行高通道数、高精度测量所需的灵活性，并且可提供两种常用测试仪器的测量功能，即高分辨率的数字万用表和数字化仪。作为数字万用表，NI PXI-4071 可快速准确地进行 ±10 nV～1000 V 范围内的电压测量、±1 pA～3 A 范围内的电流测量、10 μΩ～5 GΩ的电阻测量，以及频率/周期和二极管测量。

矩阵开关采用PXI-2530 多通道开关卡，可作为高密度多配置的多路复用器或矩阵开关使用。NI PXI-2530 具有4 种多路复用器配置和3 种矩阵配置。多路复用器包括128x1(一线)，64x1(二线)，32x1(四线)或 8 组16x1(一线)的模式，矩阵则包括4x32(一线)，8x16(一线)或4x16(二线)的模式。本文采用32x1(四线)的形式，配合 NI PXI-4071 7 位半FlexDMM 高速测量设备，可达到多通道数据测量与采集的目的。由于薄膜铂电阻器是阻抗性元件，必须对其施加一个激励源，然后读取流过终端的电压，该激励源必须保持恒定并具有相当的精度。系统采用四线制测量方法，使测试电流经过一组测试引流线流过被测电阻器;而被测电阻器上的电压则是通过取样引线的第二组引线来测量的。虽然在取样引线中有小的电流流过，但是这些电流在所有实际测量工作中都是可以忽略的。由于取样引线上的电压降是可以忽略的，所以，仪表测量出的电压和电阻器上的电压实际上是相同的。这样，就能以比二线方法高得多的准确度来确定电阻的数值。

控制器、矩阵开关和数字万用表配合使用，利用了开关模块和仪器之间的双向通信。数字万用表在触发开关闭合扫描列表中下一个连接的测量后产生一个数字脉冲，在每个扫描列表连接之后，开关将发送脉冲，触发数字万用表开始下一个测量。由于整个测量顺序是硬件定时，并且没有其他软件延迟，所以，该过程可以确保最优吞吐量。

3 自动测试系统的软件设计

图3 为自动测试系统的软件流程图，程序主要分成三大部分:1)校准;2)信号控制;3)数据采集。

图3 系统软件流程图Fig 3 Flow chart of system software

测量前，须对测量系统进行校准。本系统配备了各种常用阻值的标准电阻器，对每个通道进行校准时，可选择“通道校准”。如果要对整个系统校准，则选择“系统校准”即可。

在测量中，对信号的控制包括:1)对恒温装置的控制，主要通过软件设置恒温装置的温度，给待测铂电阻器提供稳定的温度环境;2)矩阵开关的控制，主要完成控制各个通道的开和关;3)数字万用表的控制，主要完成当矩阵开关切换完后，数字万用表开始测量和采集。利用矩阵开关的快速切换，本文采用了通过提供极性相反的测量电流的方法，结合软件中的信号滤波算法［5］，可以消除热电动势对电阻测量过程的影响。

数据采集部分由以下几个模块组成:1)数据采集模块，主要完成应变信号数据的采集，采样通道为1～8 个通道，可以任意选择通道。采样过程中可以实时显示采样结果，可以选择性保存数据;2)分析处理模块，主要完成对采集数据的整理，根据数据计算相关的参数;3)数据显示模块，主要完成对实时采集数据的显示和计算后参数的显示;4)数据存储模块，主要完成数据文件的管理，负责数据文件和相关文件的存储与读取。LabVIEW 中，保存数据文件的类型很多，本文使用了扩展名为.xls 的Excel 文件格式;5)数据回放模块，该模块是在实验数据回放的基础上实现数据的处理分析;6)打印报告模块，主要是完成实验报告的生成，将数据处理结果和性能参数制作成实验报告，作为以后研究、分析的存档。

本文通过软、硬件结合的方法，采用了7 位半高精度的数字万用表和四线制测量电阻的方法消除了引线电阻对测量的影响，采用电流反向测量和软件滤波的方法消除了热电动势对测量的影响，有效地提高了测量的精度。

4 测试结果

在0 ℃和100 ℃的条件下分别对Pt100 和 Pt1000 铂电阻器进行了测试［6］，测试结果如表1，表2 所示。

表1 Pt100 测试结果Tab 1 Measurement results of Pt100

表2 Pt1000 测试结果Tab 2 Measurement results of Pt1000

从表中数据可看出:本系统测得的数据具有一致性好、精度高、稳定性好等特点，可以达到0.01%的测量精度。

5 结 论

本文设计了一种基于LabVIEW 的铂电阻器自动测试系统，实现了每次同时对8 只铂电阻器的测量，满足了科研、生产中对测量的快速、高精度和高稳定性的要求。本系统采用四线制测量方法消除引线电阻和系统中其他叠加电阻，结合矩阵开关和LabVIEW 软件消除热电动势误差，实现优于0.01%的铂电阻器测量了。

［1］ 杨永竹.铂电阻高精度非线性校正及其在智能仪表中的实现［J］.仪表技术与传感器，2002，10(8):44 －46.

［2］ 刘少强，黄惟一.基于插值计算与优化的铂电阻非线性校正方法［J］.仪器仪表学报，2003，24(2):215 －217，220.

［3］ 李 杨，郑莹娜，朱铮涛.图形化编程语言LabVIEW 环境及其开放性［J］.计算机工程，1999，25(4):63 －65.

［4］ Johnson G W，Jennings R.LabVIEW graphical programming［M］.［S.1.］:McGraw－Hill Companies，2001.

［5］ 杨大柱.基于LabVIEW 的数字滤波器设计［J］.计算机应用，2006，20(6):19 －20.

［6］ SJ 20722-1998，热电阻温度传感器总规范［S］.