基于LabVIEW的电阻测量系统设计

张明建,马 畅,江先阳

(武汉大学 物理科学与技术学院 物理国家级实验教学示范中心, 湖北 武汉 430072)

电阻无论是在实验室里还是在生活中，都是常见的电子元件，电阻的使用范围十分广泛，其测量方法也有多种.例如实验室里可以用电压表和电流表通过应用欧姆定律(R=U/I)来测量，也可以通过万用表进行测量[1].这些方法有若干缺点，包括测量数据无法传输，只能通过手写方法记录或者手动导入计算机.正是由于这样的缺点，在生产中如果需要对大批电阻进行连续或者批量测量时，测量、记录和分析等的工作量将会是繁重的，在记录和处理过程中也容易出错.针对类似问题，部分研究人员提出了一些解决方法.如张汝青介绍了基于LabVIEW的四探针法测薄层电阻的系统[2]，这种法使得相应工作大部分都能利用计算机完成，较传统方法更智能方便.与这一工作类似，基于LabVIEW平台的工作[3-10]基本都利用了其平台的优良特性.

针对传统方法存在的效率不高的缺点，在传统的电桥法测电阻技术中引入虚拟仪器技术，通过LabVIEW平台首先在软件层面建立测量仿真，然后由软件结合硬件，建立能够进行批量和连续测量的硬件系统.本文提出的系统提高了可操作性和测量效率，为大规模的测量和处理提供了方便，也可应用到类似的电参量的测量中.

1 系统设计原理和系统结构

电阻的测量方法很多，例如伏安表法、三表法、欧姆表法和电桥法等.这些测量方法应用的原理之间有一定区别.为了充分发挥LabVIEW平台的作用，选择基于电桥法原理，通过示波器采集电压信号来检测电桥是否平衡，整个系统由LabVIEW平台进行控制与数据分析，以达到高效率的测量.电阻测量系统结构如图1所示，其中Rx为测量目标电阻，R1和R2为定值电阻，R3为可变电阻.系统测量过程中，通过调节R3来达到电桥的平衡.

图1 电阻测量系统结构

1.1 电桥测量原理

电桥测量基本原理如图2所示.和传统原理不同，虽然仍然通过图中a和b两点的电势差来判断电桥是否平衡，但考虑到实际系统中存在噪声，电势差为0是不现实的，所以通过采集该电势差并通过该电势差处于一定范围(10 mV以内)即认为电桥平衡.这种考虑是很多物理实验将原理映射到实际操作需要解决的可行性的关键点.

图2 电桥法测量电阻的原理图

假设测量系统中在a和b点间的测量仪器内阻很大，则a点电势Ua及b点电势Ub近似可以表示为

(1)

(2)

于是a和b点间电势差为

(3)

化简式(3)可以得到Rx：

(4)

将(4)式进行设计映射到系统软件中的数据处理部分，即可以获得测量目标的电阻.

1.2 电子示波器接口

设计的系统中，电压是通过数字示波器RIGOL DS1052E采集的.引入该示波器是因为基于LabVIEW的测量系统可以方便控制它并读取测量数据.该示波器可通过USB或RS232 接口[11]与计算机进行数据通信，相比而言使用RS232接口进行通讯时有诸多不足之处：

1)RS232接口电平值较高，容易损坏接口电路的芯片；

2)RS232接口与TTL电平不兼容，在传输数据前需先进行电平转换再与TTL电路连接；

3)RS232通信接口使用1根信号线和1根信号返回线构成共地传输，容易产生共模干扰，抗噪性能差；

4)RS232接口的传输速率与USB接口相比较低.

鉴于RS232的不足和USB接口的通用性，系统基于USB接口进行设计.

1.3 LabVIEW平台

LabVIEW有以下优点:

1)LabVIEW中自身带有非常丰富的扩展功能库和子程序库，通过它可以高效地设计出相关测试系统；

2)LabVIEW支持多种数据采集以及仪器，通过LabVIEW可方便开发相关硬件驱动程序;

3)LabVIEW的编程方式是图形化编程，编程过程与人类的思维过程相似，编程效率高；

4)LabVIEW系统能够在绝大多数计算机操作系统上使用，且具有强大的差错、调试功能，能够实时的显示错误的准确位置以及错误原因；

5)LabVIEW支持TCP/IP以及UDP等常用的网络协议，能够方便地与第三方软件通信；

6)LabVIEW模块化程序具有良好重用性.

基于LabVIEW设计的程序称为VI，它默认的扩展名为“.vi”.程序主要包括前面板、连接器窗格和图表、程序框图3个部分.前面板是用户界面，方便用户进行操控，前面板主要包含输入控制和输出显示2个部分，通过输入控制将数据输入到程序中，比如旋钮、按钮、开关等都属于输入控制；LED、波形图表或其他的输出对象则属于输出显示.程序框图面板用于编写程序.

1.4 系统测量流程

在电桥连接好后，将示波器的测量探头连接在电路的a，b两点对应位置.示波器通过USB与计算机连接，测量通过设计的控制系统在LabVIEW前面板上操作实现.其具体程序框图代码如图3所示.

图3 提出测量系统的程序框图面板

在测量的过程中，通过调节R3可变电阻，使示波器的读数达到量化要求，量化要求可以根据具体情况来定.具体到本次设计中，设定当示波器读数在±0.01 V之间时，电桥平衡.在电桥被调节平衡后，在程序框图上将对应的定值和可变电阻、电源电压等平衡条件数据录入，随后确定要测量的命令，在选择命令输入处输入，接着确定接口名称、测量模式以及测量时间间隔，最后按下开始测量，系统即可直接反馈测量的结果.

2 系统测量与讨论

系统测量需要的初始参量例如电源电压、电阻R1、电阻R2及可变电阻箱的阻值R3通过精密万用表KEITHLEY 2000 MULTIMETER测量，为8.00 V，R1=199.97 Ω，R2=199.83 Ω.R3的值由于需要跟随测量条件而进行改变，所以需要在硬件电路平衡调整完成(满足示波器读取的Uab值在±0.01 V内)后再测得并反馈到测量系统中.本测量系统用于验证系统性能的待测电阻基本在200 Ω左右，所以验证测量过程中，电阻箱的初始阻值调为200 Ω进行测量调节，在平衡后，R3的阻值经过测量为200.90 Ω.

在上述初始参量条件基础上设计了2种测量模式的控制前面板，也即系统支持2种测量模式.2种测量模式的示波器读取数据基本是实时的，所以在测量过程中连续读取电压值，通过一段时间内读取到的多次数据，实现对电阻的多次测量.

2.1 电阻的批量测量模式

首先进行的验证测量是批量测量10个阻值约为200 Ω的1套电阻.因为是连续批量测量10个不同的电阻，所以将测量次数设为1次，然后在连接好测量对象后点击测量开始获得测量值，测量结果以图表形式显示在测量系统中.测量前面板如图4所示.因为测量对象是批量生产的电阻，其均值也有一定的参考意义，所以依据测量的阻值，阻值的平均值也自动显示在测量系统中.提出的系统不仅能导出图片结果，还能导出测量数据的Excel表格，利于数据的后期处理[12-14].

图4 批量测量模式测量结果

作为对比，将采用提出的测量系统批量测量的阻值和采用KEITHLEY 2000 MULTIMETER(K2000)测量的相应电阻的阻值对比于表1中，系统测量阻值采用系统提供的导出功能直接导出，更直观，表1中的数据通过图形的方式显示于图5中.

考虑到K2000经过精密标定，因此设用K2000测得的数据为标准值.经过计算，序号为7的电阻测量误差最大，为1.93 Ω.最大相对误差为0.96%.序号为2的电阻测量误差最小，为0.22 Ω.

表1 系统批量模式与K2000测量对比

图5 系统批量测量模式与K2000测量对比

考虑到测量的环境、导线电阻、连接电阻等因素[12]，本测量系统的电阻测量精确度仍可以达到1%以上.

2.2 电阻的多次测量模式

系统应用中，对于单一电阻采取多次测量模式进行测量.这一模式下，每隔1 s系统从示波器读取数据并进行数据处理获得1个测量目标电阻值，连续测量10次，同样系统也提供多次测量的电阻的平均值.

作为验证，对1个待测电阻进行了此模式下的测量，其测量时间间隔可以自主控制，本次验证中间隔设置为0.5 s，待测电阻为上述电阻序列中的样本1.测量结果为200.21,200.20,200.22,200.23,200.24,200.23,200.23,200.24,200.23,200.22 Ω，系统也提供多次测量数据的波动，如图6所示.

图6 系统多次测量模式样本1测量波动

LabVIEW平台在数据处理方面的功能非常强大，提出的系统在本模式下10次测量获得的电阻平均值为200.23 Ω，与K2000测量10次读数的平均值201.19 Ω进行比较，定义误差为ΔR，系统测量值Ri(i=1,…,10)，测量平均值为R平均值，测量次数为n=10,则有：ΔR=0.96 Ω,R标准差=0.01 Ω.

本模式下测量误差和标准差都较小，显示提出的测量系统测量精确度高、测量稳定.

3 结束语

将电阻测量与LabVIEW平台结合，提出了在一定程度上实现自动化测量的电阻测量系统.提出的电阻测量系统支持对电阻的2种模式测量.与传统的电桥法测量电阻相比，对测量方法做了一定的适应性修改，后期还可以继续研究，结合LabVIEW的特性进一步改进其适应性.目前系统支持2种电阻测量模式，自动化程度还有待于进一步提升，例如支持任意定制次数的测量，支持动态自动调整初值参量等；对于数据的分析功能还可以进一步改进，例如自动化生成更完备的分析数据报表等.