一种基于LabVIEW的热电材料电阻率测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。 [0008] 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。
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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。。
[0012] 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。
[0013] 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：
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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。
[0024] 作为优选的，步骤D中，手动测量的具体方法为：
[0025] 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。
[0026] 作为优选的，所述自动测量的方法为：
[0027] 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。
[0028] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0029] 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】
[0030] 图1为本发明的测量系统组成结构框图。
[0031] 图2为本发明的测量方法及程序程图。
[0032] 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】
[0033] 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。
[0034] 实施例
[0035] 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；
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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