基于虚拟仪器温度测量系统设计

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1、- 1 - 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于虚拟仪器的温度测量系统设计 The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology 学 院（系） ：机电系 专业：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学号： 指 导 教 师（职称） ： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： - 2 - 基于虚拟仪器的温度测量系统设计 机械设计制造及其自动化专业 摘摘 要要：论文首先简单介绍虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义， 给出了虚拟温度测量系统总体方案的设计，然后对数据采

2、集模块和LABVIEW的软 件模块进行了设计。基于LabVIEW为软件平台，通过热电偶冷端补偿的方法进行 温度测量。有效地运用了LabVIEW虚拟仪器技术，将诸多重要步骤都在配备硬件 的普通PC电脑上完成，与传统的温度测量仪表相比，该系统具有结构简单、成本 低、构建方便、工作可靠等特点具有较高应用价值，是虚拟仪器技术应用于温 度测量领域的一个典型范例。 关键词关键词 ：温度测量；LabVIEW 虚拟仪器；热电偶；冷端补偿 The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology Des

3、ign and manufacture of machinery and automationMajorMAWen kui Abstract: The virtual temperature measurement system introduced in this paper can achieve the measurement, the collection, data processing, recording and display of multi-channel temperature. It uses LabVIEW as software platform，by the wa

4、y of Thermocouple cold joint compensating, to complete temperaturemeasurement. The LabVIEW virtual instrument technology is efficiently used to complete many important processes in common PC computer which is integrated of hardwares, Compared with the traditional temperature measurement instrument,t

5、his system has the advantages of simple structure,low cost，easy operation and high stability. Keywords:TemperatureMeasurement ； LabVIEWVirtualinstrument ； Thermocouple；Cold Joint Compensating - 3 - 目目录录 目目录录3 1 绪 论4 1.1 虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义.4 1.1.1 研究背景4 1.1.2 研究的目的及意义4 1.2 论文的设计任务及拟完成的主要工作.5 1.2.1 设

6、计任务5 1.2.2 论文完成的主要工作5 2 虚拟温度测量系统总体方案的设计5 2.1 虚拟仪器技术与 LabVIEW 简介.5 2.2 总体方案的设计.6 3 硬件系统设计6 3.1 温度传感器及调理电路.6 3.1.1 传感器选型6 3.1.2热电偶工作原理8 3.1.3 温度信号隔离器12 3.1.4MC1403 低压基准芯片.13 3.2热电偶的冷端处理与补偿.13 4 LABVIEW 软件模块的设计.15 4.1 温度信号处理的设计.15 4.1.1 前面板设计15 4.1.2 框图程序设计16 5 系统调试及结果分析22 5.1 系统调试.22 结论及尚存在的问题23 致谢24

7、参考文献25 - 4 - 1 绪 论 1.1 虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义 1.1.1 研究背景 虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。Labview 使 用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控 制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。所谓虚拟仪器就是以计算机作 为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及 文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使 之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充 分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，它的最大特点就

8、 是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满 足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化， 任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现 了“软件就是仪器”的设计思想。虚拟仪器最有代表性的图形化编程软件是美 国 NI 公司推出的 Labview（laboratory virtual instrument engineering workbench 即实验室虚拟仪器工作平台） 。Labview 使用了“所见即所得”的可 视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象。如表头、旋钮、 开关及坐标平面图等。用户可以通过

9、使用编辑器将控制对象改变为适合自己工 作领域的控制对象。就是 Labview 提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集 成了很多仪器硬件库。以 Labview 支持多种操作系统平台，在任何一个平台上 开发的 Labview 应用程序可直接移植到其它平台上。 1.1.2 研究的目的及意义 随着现代测试技术的不断发展，以 LABVIEW 为软件平台虚拟仪器测量技术 正在现代测控领域占据越来越重要的位置。因此如何能将温度测量与 LABVIEW 虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题。目前的测温控制系统大都 使用传统温度测量仪器其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现，而且只 能通过厂家定义、设置，

10、其功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其 结构和功能，因此已不能适应现代化监测系统的要求。随着计算机技术的飞速 发展，美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念，彻底打破了传统仪器由 厂家定义、用户无法改变的模式，使测控仪器发生了巨大变革。虚拟仪器技术 充分利用计算机的强大运算处理功能，突破传统仪器在数据处理、显示、传输、 存储等方面的限制，通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据，并使 用框图模块指定各种功能。采用集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一 - 5 - 个测温系统，且外围电路简单，易于实现，便于系统硬件维护、功能扩展和软 件升级。 1.2 论文的设计任务及拟完成的主要工

11、作 1.2.1 设计任务 本设计要求创建一个虚拟温度测量分析系统。在测量一个实际的物理信号 时，必须用一个传感器或转换器把物理信号（如温度、压力等非电量信号）转 化为电信号（如电压、电流信号） ，再通过一个数据采集卡（含信号调理电路） 对这些电信号进行处理（如滤波、放大、线性化、A/D 等） ，将模拟信号转换为 计算机可以处理的数字信号，由虚拟仪器进行计算、分析、显示，并存储结果。 技术要求： （1）所选传感器和自制的调理电路工作可靠。 （2）能够以图形方式 显示信号波形，显示准确，稳定。 （3）能够实现测量数据的存储、回放、超限 报警等功能。 （4）测量精度满足系统要求。 （5）界面友好、操

12、作方便。 1.2.2 论文完成的主要工作 （1）简单介绍虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义； （2）虚拟温度测量系统总体方案的设计； （3）选用或自行设计一个符合系统要求的数据采集卡； （4）数据采集卡通道的配置； （5）虚拟温度测量仪器前面版的设计； （6）虚拟温度测量仪器框图程序的设计； （7）系统软件调试,可实现采集数据的存储及波形显示。 2 虚拟温度测量系统总体方案的设计 2.1 虚拟仪器技术与 LabVIEW 简介 虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术三大核心技术，其中虚 拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。虚拟仪器（Virtual Instrument,简称 VI）是突

13、破传统仪器概念的最新一代测量仪器，它利用高性能的模块化硬件， 结合高效灵活的软件，由用户自己定义来完成各种测试、测量和控制的应用。 其本质特征是：“软件就是仪器”。它是基于计算机的软硬件测试平台，可代 替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集 成于自动控制、工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器技术具有 性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成四大优势，使其成为现代测控技 - 6 - 术的发展趋势。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 实验 室虚拟仪器工程平台）是一个程序

14、开发环境。它使用图形化编程语言 G 在流程 图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW 还整 合了诸如满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 以及数据采集卡等硬件通讯的全部 功能。内置了便于 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。LabVIEW 程序被 称为虚拟仪器（VIs） ，是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。即使用户 没有多少编程经验，同样也能利用 LabVIEW 来开发自己的应用程序。 2.2 总体方案的设计 虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大 的功能。系统框架如图所示，仪器系统通过前端感温装置的

15、传感元件，将被测 对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤 波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将 模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在 PC 机 内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。 图 2-1 温度测量系统原理框 3 硬件系统设计 3.1 温度传感器及调理电路 3.1.1 传感器选型 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相 关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。在半导体技术的支 - 7 - 持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和

16、集成温 度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温 度传感器、红外传感器和微波传感器。 温度是测量频度最高的物理参数，并且可采用各种各样的传感器来进行测 量。所有这些传感器均通过检测某种物理特性的变化来推断温度。温度传感器 有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和 IC 温度传 感器。IC 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。 温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象 的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部 的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量 误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻 温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。 在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技 术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究， 测量 120K 以下温度的低温温度计得