專利名稱：一種基于LABview的溫度-電阻率測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用恒流源、數(shù)字萬用表、熱電偶、數(shù)據(jù)采集板、計(jì)算機(jī)及LABview軟件等測量材料的電阻率隨溫度變化的趨勢并自動(dòng)保存測量數(shù)據(jù)，且能顯示其溫度-電阻率二維圖的測量系統(tǒng)方法，可以測量溫度連續(xù)或不連續(xù)變化的情況下材料的電阻率變化，特別是一種基于LABview的溫度-電阻率測量方法。
背景技術(shù)：
隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，新型材料不斷出現(xiàn)，其相關(guān)的應(yīng)用研究也吸引了眾多研究者的興趣。一種新型材料的性能測試以及使用時(shí)大多要知道它的電阻率， 而且大多數(shù)材料的電阻率是隨著溫度的變化而變化的。一般來說金屬材料電阻率隨著溫度的升高而升高，非金屬材料和絕緣態(tài)材料隨著溫度的升高而降低，當(dāng)材料運(yùn)用在移動(dòng)性較強(qiáng)的儀器上或溫度變化范圍比較大的環(huán)境時(shí)，材料的電阻率測量就尤為重要。要確保這些環(huán)境下的儀器能夠精確安全使用，通常需要知道其中一些材料電阻率隨著溫度變化的趨勢，以便對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)使產(chǎn)品提高性能，所以，測量材料的溫度-電阻率變化規(guī)律是研究和應(yīng)用新型材料的基礎(chǔ)工作?，F(xiàn)有的大多數(shù)溫度-電阻率測量設(shè)備一次只能測量一個(gè)電阻值并且數(shù)據(jù)不能進(jìn)行自動(dòng)保存，當(dāng)溫度變化的時(shí)候也不能直觀的看到電阻是如何隨著溫度的變化而變化，需要測量溫度時(shí)必須外加一個(gè)溫度計(jì)，而且需要人為的測量記錄，往往要一邊記溫度一邊記電阻值，并且測量結(jié)束后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理將電阻值換算為電阻率，花費(fèi)時(shí)間長并且準(zhǔn)確度低，而現(xiàn)有的一些比較先進(jìn)的測量儀器，如PPMS雖然能自動(dòng)測量，而且其溫區(qū)變化范圍大，但這些設(shè)備儀器投資較大，一般單位及科研機(jī)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)上難以承受，不易普遍推廣使用，并且使用操作步驟復(fù)雜；所以歸結(jié)起來，現(xiàn)有的溫度-電阻率測量技術(shù)方案普遍存在著所用設(shè)備復(fù)雜，測量步驟繁瑣，測量投入成本高，測量結(jié)果和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差等突出缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，基于LABview語言，利用恒流源、數(shù)字萬用表、熱電偶、采集版和電阻材料，搭建一套操作簡單，能夠準(zhǔn)確測量電阻率隨溫度變化的測量方法可直接測出電阻所處的具體環(huán)境溫度及該溫度下電阻率值并將溫度和電阻率儲(chǔ)存在指定文件中，在計(jì)算機(jī)上及時(shí)顯示出溫度——電阻率二維圖，使得數(shù)據(jù)變化趨勢更加直觀，其利用四端子測量電阻法，在材料上加電流，根據(jù)所設(shè)的溫度間隔在溫度變化時(shí)采集電壓值而求電阻進(jìn)而計(jì)算出電阻率。本發(fā)明方法的主體步驟包括溫度采集、電流變化及輸出、電壓采集及判斷、電阻率的計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；溫度采集是利用T型熱電偶采集待測電阻材料樣品所處環(huán)境的溫度，利用一個(gè)電壓值采集板將這個(gè)電壓值模擬信號(hào)按照一定的公式換算成為數(shù)字信號(hào)傳送給電子計(jì)算機(jī)；電流變化及輸出是依照測試剛開始時(shí)在計(jì)算機(jī)上輸入的電流初始值，(初始值設(shè)定的時(shí)候要注意對于金屬態(tài)的材料設(shè)定的小一點(diǎn)以防止電阻過大超出量程損壞儀器，對于非金屬態(tài)的材料設(shè)定的稍微大一些，電流值以后會(huì)根據(jù)電阻的大小自動(dòng)改變，由于是成倍的變化初始值不能設(shè)為0)，或者是經(jīng)過電壓判斷后改變的電流值經(jīng)程序傳送給電流源使得電流源輸出所傳送的電流值；電壓采集及判斷是利用數(shù)字萬用表采集待測電阻材料樣品兩端的電壓值，將電壓值進(jìn)行判斷，在待測電阻材料樣品是非金屬態(tài)情況下，如果電壓小于IOV為了使得輸出電流大一點(diǎn)，測量更加精確則將電流乘以5，電壓在5-10V之間則保持現(xiàn)在電流，如果電壓大于50V為了防止電阻率快速變化而造成電阻上的電壓超過了電流源保護(hù)電壓將電流值除以5，在待測電阻材料樣品是金屬態(tài)情況下由于電阻很小而電流源輸出能力有限電壓很難達(dá)到10V，所以電壓在0-50V之間都是可以的，如果經(jīng)溫度變化后電阻變得很大電壓會(huì)超過50V，為了防止電阻上的電壓值超過電流源保護(hù)電壓使電流值除以 5;電阻率的計(jì)算是利用歐姆定律R = U/I得出電阻值，再根據(jù)P =RXS/L求出電阻率的值；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存是利用電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將測量的信息和數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入電子計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。本發(fā)明方法的具體工作過程是A、將待測電阻材料樣品焊接到樣品架上，按照四端子法在樣品架上有四個(gè)端子分別是電流、電壓、電壓、電流端子，同時(shí)樣品架上置有一個(gè)熱電偶用于采集溫度值，再將樣品架放置到樣品保護(hù)鋼套中，然后放到一個(gè)采用水介質(zhì)或液氮變溫的容器中；B、在測量界面上輸入待測電阻材料樣品的基本信息，包括樣品的名稱、長、寬、高; 選擇金屬態(tài)或非金屬態(tài)；設(shè)定采樣點(diǎn)的溫度間隔，選擇儀器的端口通道設(shè)置一個(gè)初始的電流值，點(diǎn)擊開始后根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示輸入一個(gè)測量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑；C、用采集板采集待測電阻材料樣品周圍的溫度，然后與上次采樣時(shí)的溫度進(jìn)行比較，其中第一次與0進(jìn)行比較，當(dāng)差值大于等于所設(shè)定的采樣溫度間隔時(shí)進(jìn)行下一步操作， 如果差值小于所設(shè)定的采樣間隔則繼續(xù)采集溫度做差，直到溫度大于等于所設(shè)定的采樣溫度間隔；D、電流源接受信號(hào)后按照初始值或者是判定后電流要變化的值輸出電流信號(hào)，此電流信號(hào)流經(jīng)待測電阻材料樣品并在兩端形成電壓降；E、自動(dòng)采集待測電阻材料樣品兩端的電壓值并進(jìn)行判斷按照所選的金屬態(tài)或非金屬態(tài)電壓要求的范圍調(diào)節(jié)改變電流值；F、根據(jù)D步驟的電流值和E步驟的電壓值，利用R = V/I求出待測電阻材料樣品的電阻值，然后根據(jù)B步驟所輸入的待測電阻材料樣品的尺寸信息進(jìn)行電阻率的計(jì)算；G、將采集電壓時(shí)的溫度值以及該溫度下的電阻率值組成一維數(shù)組儲(chǔ)存到B步驟指定的文件中，然后換行記錄下一次所測試的數(shù)據(jù)在這一個(gè)的正下方，最后成為一個(gè)η行2 列的數(shù)組，其中η為測量次數(shù)；H、重復(fù)執(zhí)行D、Ε、F、G步驟直到溫度不再變化后停止。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)電阻率測量設(shè)備裝置包括熱電偶、恒流源、數(shù)字萬用表和數(shù)據(jù)采集板； 熱電偶和待測電阻材料樣品放在同一個(gè)電阻保護(hù)鋼套中，使得電阻溫度與熱電偶末端溫度相同，熱電偶采集所處環(huán)境中的溫度以模擬信號(hào)傳送到DAQ采集板中，在采集板中根據(jù)換算公式將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，即電阻所處環(huán)境的溫度，此熱電偶測溫范圍廣價(jià)格便宜；恒流源按照程序指定的值輸出電流，電流范圍為InA-lOOmA，流經(jīng)待測電阻材料樣品兩端在其兩端形成電壓降，恒流源的最小電流小有利于測量電阻率大的材料；數(shù)字萬用表是當(dāng)程序給它信號(hào)時(shí)即采集待測電阻材料樣品兩端的電壓，電壓采集最大為1000V，并且以數(shù)字的形式輸送給計(jì)算機(jī)以便進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，電壓表可以進(jìn)行程控并且精度大利于電阻值的準(zhǔn)確。本發(fā)明方法是用LABview虛擬儀器作為平臺(tái)，將熱電偶、恒流源、數(shù)字萬用表和 DAQ采集板連接成高效的溫度-電阻率測量系統(tǒng)，自動(dòng)測量電阻率隨著溫度變化值，測量溫度可在80K-370K的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，無需人工測量，節(jié)約人工時(shí)間，提高效率；測量數(shù)據(jù)直接換算成為電阻率值并且做出溫度——電阻率的二維圖表，節(jié)省了后期處理數(shù)據(jù)的時(shí)間和復(fù)雜性，并且測量時(shí)可根據(jù)圖表看出電阻率隨著溫度變化的趨勢，簡單直觀；該測量方法測量精確，數(shù)據(jù)分析直觀，操作簡單，節(jié)省時(shí)間，結(jié)果顯示直觀，成本低。


圖1為本發(fā)明的工作流程示意框圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。實(shí)施例本實(shí)施例的具體測量待測電阻材料樣品的步驟如下a、將待測電阻材料樣品焊接到樣品架上，按照四端子法在樣品架上有四個(gè)端子分別是電流、電壓、電壓、電流端子，同時(shí)樣品架上有一個(gè)熱電偶用于采集溫度值，再將樣品架放置到樣品保護(hù)鋼套中，然后放到一個(gè)采用水介質(zhì)或液氮變溫的容器中；b、在測量界面上輸入待測電阻材料樣品的基本信息，包括樣品的名稱、長、寬、高; 選擇金屬態(tài)或非金屬態(tài)；設(shè)定采樣點(diǎn)的溫度間隔，選擇儀器的端口通道設(shè)置一個(gè)初始的電流值點(diǎn)擊開始后根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示輸入一個(gè)測量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑；C、采集板采集待測電阻材料樣品周圍的溫度，然后與上次采樣時(shí)的溫度進(jìn)行比較，其中第一次與0進(jìn)行比較，當(dāng)差值大于等于所設(shè)定的采樣溫度間隔時(shí)進(jìn)行下一步操作， 如果差值小于所設(shè)定的采樣間隔則繼續(xù)采集溫度做差，直到溫度大于等于所設(shè)定的采樣溫度間隔；d、電流源接受信號(hào)后按照初始值或者是判定后電流要變化的值輸出電流信號(hào)，此電流信號(hào)流經(jīng)待測電阻材料樣品并在兩端形成壓降；e、自動(dòng)采集待測電阻材料樣品兩端的電壓值并進(jìn)行判斷按照前面所選的金屬態(tài)或非金屬態(tài)電壓要求的范圍調(diào)節(jié)改變電流值；f、根據(jù)d步驟的電流值和e步驟的電壓值，利用R = V/I求出待測電阻材料樣品的電阻值，然后根據(jù)b步驟所輸入的待測電阻材料樣品的尺寸信息進(jìn)行電阻率的計(jì)算；g、將采集電壓時(shí)的溫度值以及該溫度下的電阻率值組成一維數(shù)組儲(chǔ)存到b步驟指定的文件中，然后換行記錄下一次所測試的數(shù)據(jù)在這一個(gè)的正下方，最后成為一個(gè)η行2 列的數(shù)組，本實(shí)施例η為100次的測量數(shù)值；h、重復(fù)執(zhí)行從d到g的步驟直到溫度不再變化后停止，打印并顯示出結(jié)果。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的裝置包括選用常規(guī)的熱電偶、吉時(shí)利6220恒流源、DM3051數(shù)字萬用表和NI PCI-6221DAQ數(shù)據(jù)采集板；熱電偶和待測電阻材料樣品放在同一個(gè)電阻保護(hù)鋼套中，使得電阻溫度與熱電偶末端溫度相同，熱電偶采集所處環(huán)境中的溫度以模擬信號(hào)傳送到DAQ采集板中，在采集板中根據(jù)換算公式將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，即電阻所處環(huán)境的溫度，此熱電偶測溫范圍廣價(jià)格便宜；吉時(shí)利6220恒流源，按照程序指定的值輸出電流，電流范圍為InA-lOOmA，流經(jīng)待測電阻材料樣品兩端在其兩端形成壓降，恒流源的最小電流小有利于測量電阻率大的材料；DM3051數(shù)字萬用表，當(dāng)程序給它信號(hào)時(shí)即采集待測電阻材料樣品兩端的電壓，電壓采集最大能到1000V，并且以數(shù)字的形式輸送給計(jì)算機(jī)以便進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，電壓表可以進(jìn)行程控并且精度大利于電阻值的準(zhǔn)確。
權(quán)利要求
1.一種基于LABview的溫度-電阻率測量方法，包括溫度采集、電流變化及輸出、電壓采集及判斷、電阻率的計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，其特征在于溫度采集是利用T型熱電偶采集待測電阻材料樣品所處環(huán)境的溫度，利用電壓值采集板將電壓值模擬信號(hào)按照公式換算成為數(shù)字信號(hào)傳送給電子計(jì)算機(jī)；電流變化及輸出是依照測試剛開始時(shí)在計(jì)算機(jī)上輸入的電流初始值，或者是經(jīng)過電壓判斷后改變的電流值經(jīng)程序傳送給電流源使得電流源輸出所傳送的電流值；電流初始值設(shè)定的時(shí)對金屬態(tài)的材料設(shè)定的小一點(diǎn)以防止電阻過大超出量程損壞儀器，對非金屬態(tài)的材料設(shè)定的大一點(diǎn)，電流值根據(jù)電阻的大小自動(dòng)改變，由于是成倍的變化初始值不設(shè)為0，電壓采集及判斷是利用數(shù)字萬用表采集待測電阻材料樣品兩端的電壓值，將電壓值進(jìn)行判斷，在待測電阻材料樣品是非金屬態(tài)情況下，電壓小于10V，將電流值乘以5，電壓在5-10V之間則保持現(xiàn)在電流，電壓大于50V，將電流值除以5 ；在待測電阻材料樣品是金屬態(tài)情況下由于電阻很小而電流源輸出能力有限，電壓很難達(dá)到10V，電壓在 0-50V之間，如果經(jīng)溫度變化后電阻變得很大電壓會(huì)超過50V，電流值除以5 ；電阻率的計(jì)算是利用歐姆定律R = U/I得出電阻值，再根據(jù)P = RX S/L求出電阻率的值；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存是利用電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將測量的信息和數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入電子計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LABview的溫度-電阻率測量方法，其特征在于具體測試工作過程包括A、將待測電阻材料樣品焊接到樣品架上，按照四端子法在樣品架上有四個(gè)端子分別是電流、電壓、電壓、電流端子，同時(shí)樣品架上置有一個(gè)熱電偶用于采集溫度值，再將樣品架放置到樣品保護(hù)鋼套中，然后放到一個(gè)采用水介質(zhì)或液氮變溫的容器中；B、在測量界面上輸入待測電阻材料樣品的基本信息，包括樣品的名稱、長、寬、高；選擇金屬態(tài)或非金屬態(tài)；設(shè)定采樣點(diǎn)的溫度間隔，選擇儀器的端口通道設(shè)置一個(gè)初始的電流值， 點(diǎn)擊開始后根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示輸入一個(gè)測量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑；C、用采集板采集待測電阻材料樣品周圍的溫度，然后與上次采樣時(shí)的溫度進(jìn)行比較， 其中第一次與0進(jìn)行比較，當(dāng)差值大于等于所設(shè)定的采樣溫度間隔時(shí)進(jìn)行下一步操作，如果差值小于所設(shè)定的采樣間隔則繼續(xù)采集溫度做差，直到溫度大于等于所設(shè)定的采樣溫度間隔；D、電流源接受信號(hào)后按照初始值或者是判定后電流要變化的值輸出電流信號(hào)，此電流信號(hào)流經(jīng)待測電阻材料樣品并在兩端形成電壓降；E、自動(dòng)采集待測電阻材料樣品兩端的電壓值并進(jìn)行判斷按照所選的金屬態(tài)或非金屬態(tài)電壓要求的范圍調(diào)節(jié)改變電流值；F、根據(jù)D步驟的電流值和E步驟的電壓值，利用R= V/I求出待測電阻材料樣品的電阻值，然后根據(jù)B步驟所輸入的待測電阻材料樣品的尺寸信息進(jìn)行電阻率的計(jì)算；G、將采集電壓時(shí)的溫度值以及該溫度下的電阻率值組成一維數(shù)組儲(chǔ)存到B步驟指定的文件中，然后換行記錄下一次所測試的數(shù)據(jù)在正下方，最后成為一個(gè)η行2列的數(shù)組，其中η為測試次數(shù)；H、重復(fù)執(zhí)行D、Ε、F、G步驟直到溫度不再變化后停止。
全文摘要
本發(fā)明屬于電學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于LABview的溫度-電阻率測量方法，利用T型熱電偶采集待測電阻材料樣品所處環(huán)境的溫度，利用電壓值采集板將電壓值模擬信號(hào)按照公式換算成為數(shù)字信號(hào)傳送給電子計(jì)算機(jī)；電流變化及輸出是依照測試開始時(shí)在計(jì)算機(jī)上輸入的電流初始值，或者是經(jīng)過電壓判斷后改變的電流值經(jīng)程序傳送給電流源使得電流源輸出所傳送的電流值；電壓采集及判斷是利用數(shù)字萬用表采集待測電阻材料樣品兩端的電壓值，利用歐姆定律R＝U/I得出電阻值，再根據(jù)ρ＝R×S/L求出電阻率的值；將測量的信息和數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理和儲(chǔ)存，測量精確，數(shù)據(jù)分析直觀，操作簡單，節(jié)省時(shí)間，結(jié)果顯示直觀，成本低。
文檔編號(hào)G01R27/08GK102253287SQ20111015458
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者吳向坤, 張恒, 徐勝, 戚威, 袁峰 申請人:青島大學(xué)