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基于虚拟仪器的热电偶检定系统—数据采集及处理系统-精品


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基于虚拟仪器的热电偶检定系统 —数据采集及处理系统 摘 要

热电偶是广泛应用于工业和科研领域中的一种测温传感器,作为现代检测技术和仪 器仪表工业的主要工具,它的准确与否直接关系到制造商与用户的经济利益。为了确保 热电偶温度计测温的准确性,不仅在出厂时要对它进行严格检定,而且在随后的使用中 还要进

行周期性检定。随着计算机在各个领域中的发展和广泛应用,标准热电偶检定工 作也由过去传统的人工手动操作,发展到现在的计算机自动检定,即采样、控制、数据 处理、显示、保存、打印检定记录等整个过程都可由计算机来完成,解决了热电偶手动 检定数据计算繁琐、误差较大、检定过程耗费时间长的问题,使标准热电偶整体检测水 平得到了相应的提高。 基于上述形势,本论文利用现代计算机控制技术和数据采集技术,以及丰富的软、 硬件资源,论述了一种新型的标准热电偶计算机自动检定系统的研制方法。系统选用先 进的集成数据采集卡和功能强大的 LabVIEW 虚拟仪器技术,构建了一种新型热电偶自 动检定系统。此系统界面友好,操作灵活方便,而且可移植性和重用性强。

关键词:热电偶;自动检定;数据采集;虚拟仪器

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The Calibration System of Thermocouples Based on Virtual Instrument – Data Acquisition and Processing System Abstract
Thermocouple is a sort of temperature sensor, which is used extensivly in industry and scientific field. As the important means of temperature measurement and industry in the modern society,its accuracy directly relates the economy benefits of the manufacturers and the users. To ensure the thermocouple’s veracity, it must be calibrated strictly before it leave factory, and be calibrated periodically in the process of use it.With the further developing and wide application for computer in the various fields, the calibrating work for standard thermocouple has being developed from the past traditional manual operation to automation. Computer can complete the calibrating inculding sampling、controlling、processing data、 displaying、saving and printing calibrating records. So the automatic calibration system not only resovlved a series of problems such as detailed data-calculating,major errors,time-wasting and so on,but also improved the technique. Based on above-mentioned situations, this thesis makes use of morden computer contorl and data acquisition technology with abundant software and hardware resources ,and expounds the research of a new kind of automatic calibration system.The system uses the advanced DAQ and the powerful function LabVIEW virtual instrument technology,which designs the new automatic calibration system for thermocouple. It has friendly interface, and can be operated conveniently , moreover, it can be transplanted and repeated used.

Key words: Thermocouple; Automatic test; Data acquisition; Virtual Instrument

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目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................................II 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题的研究背景及发展概况 ..................................................................................... 1 1.2 课题研究的主要内容 ................................................................................................. 4 第二章 虚拟仪器的基本知识 .................................................................................................. 5 2.1 虚拟仪器基本概念 ..................................................................................................... 5 2.2 虚拟仪器发展方向 ..................................................................................................... 9 第三章 热电偶简介 ................................................................................................................ 11 3.1 热电偶基本概念与测温原理 ................................................................................... 11 3.1.1 热电偶的基本概念 ........................................................................................ 11 3.1.2 热电偶的测温原理 ........................................................................................ 15 3.2 标准热电偶的检定 ................................................................................................... 16 3.3 热电偶检定的数据处理 ........................................................................................... 18 第四章 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的设计 ........................................................ 19 4.1 系统总体设计 ........................................................................................................... 19 4.2 炉温控制系统设计 ................................................................................................... 20 4.3 数据采集系统设计 ................................................................................................... 22 4.3.1 数据采集原理 ................................................................................................ 22 4.3.2 数据采集系统的实现 .................................................................................... 23 第五章 热电偶检定系统的硬件配置 .................................................................................... 24

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5.1 DAQ 系统设计 .......................................................................................................... 24 5.1.1 信号调理卡 .................................................................................................... 24 5.1.2 数据采集卡 .................................................................................................... 25 5.1.3 DAQ 硬件配置 ............................................................................................... 25 5.2 热电偶检定炉 ........................................................................................................... 26 5.3 JKH-C2 型可控硅移相触发器/调压器 ..................................................................... 27 5.4 零点恒温器 ............................................................................................................... 29 5.5 计算机配置 ............................................................................................................... 29 第六章 热电偶检定系统的软件设计与开发 ........................................................................ 30 6.1 软件系统的整体设计 ............................................................................................... 30 6.2 软件设计 ................................................................................................................... 31 6.2.1 登陆系统子 VI ............................................................................................... 31 6.2.2 初始设置子 VI ............................................................................................... 33 6.2.3 预警系统子 VI ............................................................................................... 34 6.2.4 数据采集子 VI ............................................................................................... 36 6.2.5 数据记录与读取子 VI ................................................................................... 38 6.2.6 温度曲线子 VI ............................................................................................... 38 6.2.7 误差与修正曲线子 VI ................................................................................... 40 6.3 检定结果分析 ........................................................................................................... 41 第七章 总结 ............................................................................................................................ 43 参考文献 .................................................................................................................................. 44 附录 A 总系统前面板 .............................................................................................................. 46 附录 B 总系统数据流程图 ...................................................................................................... 47

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致谢 .......................................................................................................................................... 48

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第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及发展概况
热电偶是我国目前工业常用的感温传感器,通常与温度仪表配套使用,广泛应用于 工业生产、国防工业及科研中。在使用过程中由于受到测量环境、介质气氛、使用温度 以及绝缘材料和保护管材料的沾污等影响,使用一段时间后,其热电特性会发生变化, 尤其是在高温、腐蚀性气氛以及特殊工况下,这种影响就更严重。当热电偶的热电特性 变化超过规定的范围时,热电偶指示的温度便会失真,测温误差越来越大。因此,热电 偶作为温度计量器件,不仅在出厂时要对它进行严格检定,而且必须按照国家检定规程 和校准规范要求进行定期检定,以此确定其误差大小,根据误差的大小决定被检热电偶 是否可以继续使用,如果误差大小在相关检定规程的范围内,则给出其修正值,否则, 判为不合格。 早期的工业热电偶检定由人工操作完成,这种方式是凭借操作人员的经验将温度逐 个控制到每一个温度检定点,然后尽量将其稳定下来,加以检定。在检定过程中,操作 员一方面要记录每一热电偶的数据,另一方面还要进行热电偶的切换。这种方法难以保 证稳定时的精度,另外手工操作时间较长,存在着较大的延时误差,同时人为因素太大, 因此,难以保证热电偶检定中严格的技术要求。 随着计算机技术的迅速发展, 90 年代初人们开始研制工业热电偶自动检定装置以解 决现场仪表的自动校准工作。在自动校准系统研制的初期,热电偶的校准需要购买很多 设备(恒温炉、测量仪器等),这些设备大部分是从不同厂家购买的,它们本身都带有相 应的软件,但这些软件之间是不能集成并相容的,因此,许多工作还是人工完成的,这 时可以称为半自动检定。 随着进一步的研究和开发, 出现了成套的热电偶自动检定系统, 这一系统把各个设备的控制、测量以及结果的处理、保存、打印等功能集中在一套软件

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中,从而真正实现了自动检定和校准。但这一系统价格昂贵,不能充分利用现有硬件资 源,需要从开发商重新购买控温器、扫描开关、电测仪表等硬件及其相关软件,造成了 资源的极大浪费。并且这些系统在程序的编制上,采用了传统的编程语言,编程耗费的 时间比较长,依赖于专业程序员和特定的编程语言。另外,系统一经形成,无法随意更 改其相应参数,不能使温度计量工程师对该系统进行修改和更新。 虚拟仪器是计算机技术和现代测控技术融合的产物,它遵循“软件即仪器”的概念, 将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件进行有 效结合,从而大大减少了仪器的硬件资源,并可以按照用户的需要定义仪器功能、结构, 设计用户自己的仪器。所以,在热电偶的检定和分度工作中,应用虚拟仪器技术可以提 高工作效率,节约成本和提高检定及分度的准确性。 目前无论国内还是国外, 都对行业标准化有了足够的重视, 但在我国毕竟起步较晚, 对计量技术自动化和标准化的建设才刚刚开始,介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥 无几。总体上说,国外在检定精度上发展较快。上个世纪末国内电子仪器仪表市场几乎 完全被国外拥有先进技术的产品所占领。近几年来,在国家大力扶持下,一些技术先进 的仪器仪表厂家逐渐兴起,国内对热电偶自动检定技术的研究正处于百家争鸣的时代, 所研制的检定设备也层出不穷。就调查所得的情况来看,可归纳为以下两大类: (1)微处理器型。这种类型的检定设备,是以各种各样的微处理器为智能核心,自组 专用 CPU 系统, 将检测、 控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机箱内。 其优点是体积小,成本低,仪表自动化程度高。其缺点是开发阶段投资多,工作量大, 线路复杂,专业性强,技术难度高,而且在显示及打印输出方面功能有限,故不易推广 使用。 (2)通用微型计算机型。这种类型的热电偶检定设备,直接利用目前迅速发展的计算 机控制技术进行开发,专门设计一个通信检测接口,利用计算机强大的智能控制和数据

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处理功能,结合可视化操作界面和高级程序设计语言,配合键盘、鼠标和打印机输入输 出。其优点是开发环境优越,技术难度和工作量小,检定精度高,人机交互界面友好, 功能齐全完善,故易于推广使用。其缺点是成本高,体积大,检定系统会占用一定的计 算机资源。 而虚拟仪器技术正是基于计算机系统的测控解决方案,区别于把计算机技术融入仪 器内部的智能仪器,它将各种计算机平台,测量控制仪表和其他的硬件、软件和附件按 用户自己的需要灵活组建,构成特定的智能测控系统,实现面向用户的特定功能。这样 可以充分利用现有硬件资源,自由构建工业热电偶自动检定系统。 随着科学技术的发展,热电偶的检定还会出现更好的方法。因此,我还对热电偶检 定做了如下的展望: 热电偶的检定过去都是由人工操作完成的,这不仅工作效率低,而且会引起人为误 差。随着计算机应用的普及和数字化仪表的发展,近十几年来,国内外在热电偶检定自 动化方面作了不少研究,有了很大发展。本文从温度自动检定系统的国内外研究现状出 发,提出了基于 LabVIEW 的工业热电偶自动检定系统。LabVIEW 编程的主要特点就是 将虚拟仪器分解为若干基本的功能模块,模块的引脚代表输入/输出接口。编程者可以通 过交互式手段,采用图形化框图设计的方法,完成虚拟仪器的测量控制功能设计。 LabVIEW 编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来, 修改人机交互界 面无需对整个程序进行调试,这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分 方便的。 目前,工业热电偶的检定基本上仍是在温度计量实验室内完成的。而很多时候,工 业热电偶是被安装在现场测温,若要把它们拆卸下来放到实验室去检定是比较麻烦的。 另一方面,热电偶热电阻在现场环境下长期使用后,材料成分发生了不均匀变化,热电 特性也发生了变化,而要在实验室中查看清楚这种热电特性的变化是不现实的。唯一可

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行而有实际意义的做法是在所使用的现场条件下, 通过检定查看其热电特性变化。 因此, 在线检定是自动检定以外热电偶检定方面的又一个趋势。 此外,在现已进行的工作基础上,对本课题的研究作以下构想: 1、改进检定炉,使之能够提供各种工业常用标准热电偶检定的温场环境; 2、对炉温控制做进一步研究,实现计算机自动控制系统的精密控温; 3、改进软件系统,扩充系统功能和完善视窗画面效果; 4、引进先进设备,提高检定系统的测量精度; 5、建立功能强大的数据库管理系统,使数据处理更趋合理。

1.2 课题研究的主要内容
本论文以现代工业中生产和使用的标准热电偶为研究对象, 通过了解它的热电特性、 工作原理和检定方法,结合温度计量和计算机软、硬件设计的技术,遵照标准热电偶检 定的步骤和规程,依托计算机虚拟仪器技术来实现热电偶检定的自动化。最终目的是使 人们能够在计算机上通过清晰的人机界面以菜单和图形方式将实验数据输入计算机,然 后由计算机自动控温、自动检定、自动数据处理、自动打印检定结果,提高工作效率和 检定精度。 系统的硬件方面,检定炉选用本学校实验室的回转式管式电阻炉,数据采集卡选用 美国 NI 公司出品的 PCI-6221 数据采集卡。系统的主控部分是配有键盘、鼠标和打印机 的计算机系统。 系统的软件方面, 选用美国 NI 公司开发的 LabVIEW8.5 来编写程序。 基于虚拟仪器 的开放性和图形化模块式编程特点,可按不同的校准要求构建系统,使用方便、快捷, 而且系统可移植性和重用性强。

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第二章 虚拟仪器的基本知识
2.1 虚拟仪器基本概念
虚拟仪器(Virtual Instrumention)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合 是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式,一种是将计算机装入 仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的 日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方 式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能。 虚拟仪器主要是指这种方式。 20 年来,无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员,虚拟仪器在各种不 同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎,这都归功于其直观化的图形编程 语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流,同时地图化 的用户界面直观地显示数据,使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入[1]。 虚拟仪器的发展过程: 1、GPIB→VSI→PXI 总线方式(适合大型高精度集成系统) 。GPIB 于 1978 年问世, VXI 于 1987 年问世,PXI 于 1997 年问世。 2、PC 插卡→并口式→串口 USB 方式(适合于普及型的廉价系统,有广阔的应用发 展前景) 。PC 插卡式于 80 年代初问世,并行口方式于 1995 年问世,串口 USB 方式于 1999 年问世。 综上所述,虚拟仪器的发展取决于三个重要因素: (1)计算机是载体; (2)软件是核心; (3)高质量的 A/D 采集卡及调理放大器是关键。

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虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中,硬件设备 与接口可以是各种以 PC 为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI 总线仪器接口等设备,或者是其它各种可程控的外置测试设备,设备驱动软件是直接控 制各种硬件接口的驱动程序,虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通 讯,并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各 种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。 同其他技术相比,虚拟仪器技术具有四大优势: 1、性能高 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的,所以完全“继承”了以现成的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点,包括功能超卓的处理器和文件 I/O,使您在数据高 速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外,不断发展的因特网和越来越快的 计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 2、扩展性强 NI 的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于 NI 软件的灵活性, 只需更新计算机或测量硬件,就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级 即可改进整个系统。在利用最新科技的时候,我们可以把它们集成到现有的测量设备, 最终以较少的成本加速产品上市的时间。 3、开发时间少 在驱动和应用两个层面上,NI 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的 最新技术结合在一起。NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作,同时还提 供了灵活性和强大的功能,使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成 本的测量和控制解决方案。 4、无缝集成

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虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于 复杂,工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求,而连接和集成这些 不同设备总是要耗费大量的时间。NI 的虚拟仪器软件平台为所有的 I/O 设备提供了标准 的接口,帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统,减少了任务的复杂性[2]。 虚拟仪器的发展随着计算机的发展和采用总线方式的不同,可分为五种类型: 1、PC 总线—插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如 LabVIEW 相结合。 Labview/cvi 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具,通过三种编程语言 Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi 构成测试系统,它充分利用计算机的总线、机箱、电源 及软件的便利。但是受 PC 机机箱和总线限制,且有电源功率不足,机箱内部的噪声电 平较高,插槽数目也不多,插槽尺寸比较小,机箱内无屏蔽等缺点。另外,ISA 总线的 虚拟仪器已经淘汰,PCI 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 2、并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置,它们把仪器硬件集成在一个 采集盒内。仪器软件装在计算机上,通常可以完成各种测量测试仪器的功能,可以组成 数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、 功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国 LINK 公司的 DSO-2XXX 系列 虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连,方便野外作业,又可与台式 PC 机相连,实现台式和便携式两用,非常方便。由于其价格低廉、用途广泛,特别适合于 研发部门和各种教学实验室应用。 3、GPIB 总线方式的虚拟仪器 GPIB 技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立 的单台手工操作向大规模自动测试系统发展, 典型的 GPIB 系统由 1 台 PC 机、 1 块 GPIB

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接口卡和若干台 BPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况下,1 块 GPIB 接口可带多达 14 台仪器,电缆长度可达 40 米。GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操 作和控制,替代传统的人工操作方式,可以很方便地把多台仪器组合起来,形成自动测 量系统。GPIB 测量系统的结构和命令简单,主要应用于台式仪器,适合于精确度要求 高的,但不要求对计算机高速传输状况时应用。 4、VXI 总线方式虚拟仪器 VXI 总线是一种高速计算机总线 VME 总线在 VI 领域的扩展,它具有稳定的电源, 强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能 力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,很快得到广泛的 应用。经过多年的发展,VXI 系统的组建和使用越来越方便,尤其是组建大、中规模自 动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而,组建 VXI 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。 5、PXI 总线方式虚拟仪器 PXI 总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI 具有 高度可扩展性。 PXI 具有 8 个扩展槽, 而台式 PCI 系统只有 3~4 个扩展槽, 通过使用 PCI —PCI 桥接器,可扩展到 256 个扩展槽,台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领 域的扩展优势结合起来,将形成未来的虚拟仪器平台[3]。 虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段,在我国虽刚起步,但发展迅速,已在电子测 量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方 面的数据采集和分析中广泛应用。 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言,由 美国国家仪器(NI)公司研制开发的,类似于 C 和 BASIC 开发环境,但是 LabVIEW 与 其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而

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LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序,产生的程序是框图的形式。与 C 和 BASIC 一样,LabVIEW 也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任务的庞大函数库。 LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储 等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程 序的结果、单步执行等等,便于程序的调试。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室 所接受, 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 LabVIEW 集成了与满足 GPIB、 VXI、 RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以 方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言,又称为“G”语言。使用这种语言编程时,基本上不写程序代 码,取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、 图标和概念,因此,LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科 学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原 理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。 所有的 LabVIEW 应用程序,即虚拟仪器(VI) ,它包括前面板(front panel) 、流程 图(block diagram)以及图标/连结器(icon/connector)三部分。利用 LabVIEW,可产生独 立运行的可执行文件, 它是一个真正的 32 位编译器。 像许多重要的软件一样, LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种版本。它主要的方便就是,一个硬件 的情况下,可以通过改变软件,就可以实现不同的仪器仪表的功能[4]。

2.2 虚拟仪器发展方向

虚拟仪器精确的采样,及时的数据处理和快速的数据传输使其在自动控制领域和工 业控制领域得到广泛的应用。它以计算机发展为平台,更迎合了在当今信息社会各行各

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业向智能化、自动化、集成化发展的趋势。它的灵活性,软、硬件的标准化令其在仪器 计量领域逐渐取代传统仪器。 PC 技术与嵌入式系统融合发展, 使虚拟仪器的功能得以进 一步的发展,如更多的嵌入式和实时功能。随着 PC 技术和相关科技的发展,虚拟仪器 技术已成为一项前沿学科,代表着仪器发展的最新方向,不断地被推向各个新的领域。 随着计算机、通信、微电子技术的不断发展,以及网络时代的到来和信息化要求的不断 提高,网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势。使用网络化虚拟仪器, 可使任何地点、任意时刻获取测量数据信息的愿望得到实现。网络化虚拟仪器也适合异 地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。与以 PC 机为核心的虚拟仪器相比,在 不远的将来,网络化虚拟仪器将是仪器发展中的又一次革命[5]。

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第三章 热电偶简介
3.1 热电偶基本概念与测温原理
3.1.1 热电偶的基本概念 热电偶是一种感温元件,是一次仪表,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电 动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标 准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与 其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶, 一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量,这里我们主要介绍标准热电 偶。目前国际上规定了以下 8 种标准热电偶:S 型、R 型、B 型、K 型、N 型、T 型、E 型和 J 型。我国从 1988 年 1 月 1 日起,热电偶全部按国际标准生产,并指定 S,B,E, K,R,J,T 七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。下面对这 8 种标准热电偶做一 些介绍。 S 型热电偶即铂铑 10-铂热电偶,它是一种贵金属热电偶。电极线径规定为 0.5mm, 其正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为 10%,含铂为 90%。负极(SN)为纯 铂,故俗称为单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为 1300℃,短期最高使用温度 为 1600℃。S 型热电偶具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其 物理化学性能良好,在高温下抗氧化性能好,适用与氧化和惰性气氛中,使用广泛。 S 型热电偶的缺点是热点率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,对污染敏感,贵金属 材料昂贵,因此一次性投资较大。 R 型热电偶即铂铑 13-铂热电偶,它是一种贵金属热电偶。偶丝直径规定为 0.5mm, 允许偏差-0.015mm,其正极(RP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为 13%,含铂

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为 87%, 负极 (RN) 为纯铂, 长期最高使用温度为 1300℃, 短期最高使用温度为 1600℃。 R 型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等 优点。其物理、化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性 和惰性气氛中。由于 R 型热电偶的综合性能与 S 型热电偶相当,在我国一直难于推广, 除在进口设备上的测温有所应用外, 国内测温很少采用。 1967 年至 1971 年间, 英国 NPL, 美国 NBS 和加拿大 NRC 三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R 型热电偶 的稳定性和复现性比 S 型热电偶均好, 我国目前尚未开展这方面的研究。 R 型热电偶不 足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感, 贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。 B 型热电偶即铂铑 30-铂铑 6 热电偶。 它是一种贵金属热电偶。 偶丝线径规定为 0.5mm, 其正极(BP)和负极(BN)的名义化学成分均为铂铑合金,只是含量不同,故俗称为双铂铑 热电偶,该热电偶长期最高使用温度为 1600℃,短期最高使用温度为 1800℃。B 型热电 偶具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等优点,适用于氧化性和惰性气 氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中。它还 有一个明显的优点是参比端不需进行冷端补偿,因为在 0℃~50℃范围内,热电势小于 3μV。B 型热电偶缺点是热电率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,抗污染能力差, 贵金属材料昂贵。 K 型热电偶即镍铬-镍硅热电偶,它是一种能测量较高温度的廉价金属热电偶。由于 这种合金具有较好的高温抗氧化性,可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量 1000℃的高温,短期可测到 1200℃。它不能用于还原性介质中,否则,很快腐蚀,在此 情况下只能用于 500℃以下的测量。它比 S 型热电偶要便宜很多,它的重复性很好,产 生的热电势大,因而灵敏度很高,而且它的线性很好。虽然其测量精度略低,但完全能 满足工业测温要求,所以它是工业上最常用的热电偶。

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N 型热电偶即镍铬硅-镍硅镁热电偶,它是一种廉价金属热电偶,热电偶的正极 (NP)为名义值 13.7%~14.7%的铬和 1.2%~1.6%的硅及∠0.01%的镁与镍合金,负极 (NN)为名义值 4.2%~4.6%的硅和 0.5%~1.5%的镁及∠0.02%的铬与镍合金。它是一 种最新国际标准化的热电偶, 是在 70 年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的。 它克 服了 K 型热电偶的两个重要缺点:K 型热电偶在 300~500℃间由于镍铬合金的晶格短程 有序而引起的热电动势不稳定;在 800℃左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动 势不稳定。N 型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较 好,抗氧化性能强,价格便宜,不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于 K 型热电 偶,是一种很有发展前途的热电偶。 N 型热电偶不能直接在高温下用于硫、还原性或还 原、氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中[6]。 T 型热电偶即铜-康铜热电偶,也是一种最佳的测量低温的廉价金属热电偶。它的正 极(TP)是纯铜,负极(TN)为铜镍合金,常称之为康铜,它与镍铬-康铜的康铜 EN 通用,与铁-康铜的康铜 JN 不能通用,尽管它们都叫康铜,铜-康铜热电偶的测量温区为 -200~350℃。T 型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性 较好,价格便宜等优点,特别在-200~0℃温区内使用,稳定性更好,稳定性可小于±3μV, 经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。T 型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性 能差,故使用温度上限受到限制。 E 型热电偶即镍铬-铜镍热电偶又称镍铬-康铜热电偶,也是一种廉价金属热电偶。 其正极(EP)为镍铬
10 合金,化学成分与

KP 相同,负极(EN)为铜镍合金,名义化学成分

为 55%的铜、45%的镍及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大,灵敏度之高 属所有标准热电偶之最,宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E 型热电偶可用于湿度 较大的环境里,具有稳定性好,抗氧化性能高,价格便宜等优点。但不能在高温下用于 硫、还原性气氛中。

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J 型热电偶即铁-康铜热电偶, 它是一种价格低廉的廉价金属的热电偶。 它的正极 (JP) 的名义化学成分为纯铁,负极(JN)为铜镍合金,常被含糊地称之为康铜,其名义化学 成分为:55%的铜和 45%的镍以及少量却十分重要的锰,钴,铁等元素,尽管它叫康铜, 但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜,故不能用 EN 和 TN 来替换。铁-康铜热电偶的覆 盖测量温区为-200~1200℃,但通常使用的温度范围为 0~750℃。J 型热电偶具有线性度 好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,广为用户所 采用。J 型热电偶可用于真空、氧化、还原和惰性气氛中,但正极铁在高温下氧化较快, 故使用温度受到限制,也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。 热电偶产生测量误差有 3 个原因:一是在制造时,热电偶材料由于受到外力的作用 而产生应力,造成应力分布的不均匀;二是在使用中往往会受到其他化学成分的影响而 使得材料成分发生变化;三是使用中产生的误差。后者因与工艺或生产过程有关,这里 不再赘述,只讨论前面 2 个原因。 根据《JJG351-96 工业用廉金属热电偶检定规程》规定,新制造或使用中的热电偶 必须经检验合格后方可使用。然而,在检定过程中经常会出现一些超出允许误差的检定 偏差。出现这种情况是由于热电偶由 2 个不同的金属导体制成,导体内自由电子的运动 产生热电势,它与制作热电偶热电极的材料均匀性有关。若热电极材料不均匀,两热电 极又处于温度梯度中,则热电偶回路中就会产生一个附加电势。此附加电势的存在会使 热电偶的热电特性发生变化,降低测温的准确性。而造成热电极材料不均匀的主要原因 有化学成分和物理状态两方面。 化学成分:(1)热电极表面局部的金属挥发和氧化。(2)热电极中某些元素的选择性氧 化。(3)测温气氛、绝缘材料和保护套管材料对热电极的局部玷污和腐蚀等。(4)材料的性 质改变。 物理状态:(1)杂质的存在。(2)应力分布的不均匀。实践证明热电偶的热电特性因应

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力的影响而发生变化。在生产过程中,由于塑性形变和退火不均匀、不彻底,往往造成 偶丝材料的应力分布不均匀;在安装和使用过程中也会发生偶丝局部形变和加热不均匀 而使热电极产生新的应力分布不均匀,从而使热电极沿长度方向出现热电特性不一致的 现象, 导致热电势发生变化。 (3)晶体结构不均匀。 热电极的晶粒大小对热电特性有影响。 (4)测量端的热扩散[7]。 3.1.2 热电偶的测温原理 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度 梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势—热电动势,这就是所谓 的塞贝克效应。如图 3.1 所示,把两种不同的导体(或半导体)A 和 B 连接成闭合回路, 当两接点 1 与 2 的温度不同时,如 T >To,则回路中就会产生热电势 E AB 。导体 (T,T0) A 和 B 叫做热电极,两热电极 A 和 B 的组合称作热电偶。在两个接点中,接点 1 是将 两电极焊在一起,测温时将它放入被测对象中感受被测温度,故称之为测量端、热端或 工作端;接点 2 处于环境之中,要求温度恒定,故称之为参考端、冷端或自由端。热电 偶就是通过测量热电势来实现测温的[8]。

A

T 1

2

T0

B

图 3.1 热电偶结构图

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3.2 标准热电偶的检定
所谓热电偶检定,是指为评定热电偶的热电特性是否合格而进行的全部工作。其中 包括外观检查和在规定的温度点检查其热电动势的量值大小和稳定程度是否符合标准规 范。热电偶的检定步骤和检定周期按国家计量部门制订的“检定规程”进行[9]。 我国的标准热电偶检定系统表也就是温标的传递系统,见图 3.2.
锌凝固点(419.527℃) 铝凝固点(660.323℃) 铜凝固点(1084.62℃)

标准铂铑10-铂热电偶组 419.527-1084.62℃

一等标准铂铑10-铂热电偶 419.527-1084.62℃

一级铂铑10-铂热电偶 0-1600℃

二等标准铂铑-铂热电偶 419.527-1084.62℃

一级铂铑13-铂热电偶 0-1600℃

二级铂铑10-铂热电偶 0-1600℃

标准镍铬-镍硅热电偶 0-1200℃

二极铂铑13-铂热电偶 0-1600℃

工业廉金属热电偶

图 3.2 标准热电偶检定系统图

工业热电偶主要包括工作用贵金属热电偶和工作用廉价金属热电偶。工作用贵金属 热电偶主要指铂铑 10-铂(S 型)、铂铑 13-铂(R 型)和铂铑 30-铂铑 6(B 型)热电偶。工作用 廉价金属热电偶主要指镍铬-镍硅(铝)(K 型)、镍铬硅-镍硅(N 型)、镍铬-康铜(E 型)、铁-

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康铜(J 型)这四种热电偶。本文主要针对工作用廉价金属热电偶的自动检定进行研究,故 下面将详细论述工作用廉价金属热电偶的检定。不同等级热电偶在规定温度范围内,其 允差应符合表 3.1 规定。

表 3.1 工作用廉金属热电偶测温范围及允差
分度号 等级 Ⅰ K Ⅱ Ⅰ N Ⅱ Ⅰ E Ⅱ Ⅰ J Ⅱ -40~750 士2.5℃或士0.75%t -40~900 -40~750 士2.5℃或士0.75%t 士1.5℃或士0.4%t -40~1300 -40~800 士2.5℃或士0.75%t 士1.5℃或士0.4%t 测量温度范围(℃) -40~1100 -40~1300 -40~1100

允差 士1.5℃或士0.4%t 士2.5℃或士0.75%t 士1.5℃或士0.4%t

注:允差取最大值;t为测量端温度

检定时用可控硅调压器来调节炉温,当炉温达到所需的检定温度点 ± 10℃内,且炉 温变化每分钟不超过 0.2℃时, 就可以进行读数。 检定可采用下列三种方法的任意一种方 法。 (1)双极比较法:将同分度号同种规格的正、负极偶丝焊接成电偶,直接测量标准偶 与被检偶的热电动势。将热电偶束插入炉膛内,并把热电偶的冷端引入零度恒温器内。 先使炉温恒定在检定点温度附近,然后从标准偶开始依次读取各热电偶的热电势,再按 相反顺序进行,每支读数不应少于 2 次。 (2)同名极比较法:将同型号的标准热电偶与被检热电偶工作端捆在一起,在固定点 上进行电极的比较。

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(3)微差法: 将同型号的标准热电偶与被检热电偶反向串联, 直接测量其热电势差值。 在本文中,我们采用的热电偶检定方法是同名极比较法。

3.3 热电偶检定的数据处理
本文主要针对工作用廉价金属热电偶,研究 300℃-1200℃范围内的检定点,该范围 内热电动势误差△e 用下式(3-1)计算:

?e ? e被 ?
?

?

e标 ?e 标 s标

?

.s被 ? e分

(3-1)

式中: e被 —被检热电偶在某检定点附近温度下,测得的热电动势算术平均值;
e 标 —标准热电偶证书上某检定点温度的热电动势值;
?

e标

—标准热电偶在某检定点附近温度下,测得的热电动势算术平均值;

e分 —被检热电偶分度表上查得的某检定点温度的热电动势值;
S 标 、 S 被 分别表示标准、被检热电偶在某检定点温度的微分热电势。

被检热电偶在该检定点的温度示值误差用式(3-2)计算:
?t ? ?e s被
(3-2)

该误差应符合检定规程要求,否则即为不合格。

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第四章 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的设计
4.1 系统总体设计
本文设计的热电偶自动检定系统是基于虚拟仪器的,图 4.1 是我所设计的基于虚拟 仪器的热电偶自动检定系统的总体设计方案图。
信 号 调 理 模 块 数 据 采 集 模 块 计 算 机 可控硅 虚 拟 仪 器

标准偶 被检偶

冰点恒温器

数据处理 图形显示 文件管理 打印输出

检 定 炉

图 4. 1 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统装置的总体设计方案图

接下来我将对这一系统做简要的介绍。 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的原理是首先把标准偶和被检偶捆扎在一起, 装到管式检定炉的最高温区。热电偶通过补偿导线延长至冷端与铜导线相接,标准热电 偶直接连铜导线,将冷端置于冰点恒温器中以保证其恒为零度。信号调理模块将原始信 号进行放大、滤波后,再经过数据采集模块将数据送入计算机。计算机是热电偶自动检 定系统过程的控制者,它根据检定工作的需要,通过可控硅调节器控制检定炉温度,通 过数据采集卡接收数据,通过软件程序实现自动检定。根据测得的标准热电偶热电势换 算出当前的炉内温度,并按照设定温度点的要求控制控温调压器,改变检定炉的加热电 流,从而实现检定炉炉温的自动控制。当检定炉的炉温达到某设定点的温度要求时,计

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算机则控制数据采集程序打开指定的数据采集通道,录入相应的标准偶和被检偶数据。 当所设定的温度检定点都检测完毕,计算机则按检定规程的要求做检定计算,然后整理 检定结果并记录数据,用户可在计算机上随时调出所有检定报表,查看或打印。基于虚 拟仪器的开放性和图形化模块式编程特点,可按不同的校准要求组合构建系统,此系统 使用方便、快捷,而且可移植性和重用性强。由于本文是针对热电偶检定系统的数据采 集和处理部分做的设计,因此我将对这一部分做重点的介绍[10]。 热电偶自动检定系统具有以下的特点: (1)实现检定过程的全自动化:从检定方案选择、炉温控制、数据采集,到检定结果 分析、检定证书和分度表的打印全过程实现自动。 (2)用户界面友好:具有参数输入、通道设置、过程参数实时监测等多种功能,并可 根据用户要求随时增加或删减部分功能。 (3)提供多种检定方案:可以采用双极法、同名极法和微差法进行检定,也可根据需 要自定义检定程序。 (4)可以进行热电偶的分度:新研制的和非标准化热电偶在使用前都需要进行分度实 验,得到分度表及热电性能的温度曲线或参考函数;某些热电性能发生改变的标准化热 电偶也需要进行重新分度,本系统就可以提供这项功能,并可以根据用户需要对分度点 进行随意设置[11]。

4.2 炉温控制系统设计
基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统对检定炉各项技术指标要求较高,整个检定过 程要求达到升温快,恒温时炉温变化率不能超过 0.5℃/min,且恒温值要相对准确,偏离 检定温度不超过± 0.5℃。本文对炉温控制系统的设计思想来源于用电压调整器控制可控 硅导通角的原理。可控硅是一种大功率半导体元器件,它具有体积小、效率高、可以控

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制、动作迅速、无噪声等优点,是用来在温度控制系统中调整交流电压以控制电加热器 加热功率的执行元件。可控硅的导通时刻是由可控硅电压调整器中的触发脉冲电路产生 的脉冲信号决定的。可控硅控温设备按其触发控制电路触发方式的不同,可分为可控硅 调压器与可控硅调功器。它们与电流输出的调节仪表配套使用,用于控制检定炉温度。 本系统选用可控硅调压器把模拟控制信号变为疏密变化的脉冲列,在同步电路的配 合下,改变可控硅的导通角θ ,就可以控制检定炉中电流的大小,从而实现对炉温的控 制。这里使用的可控硅调压器采用移相触发控制电路,它主要由放大与触发电路、反馈 与预给电路、同步脉冲发生器和保护电路等部分组成。其控制系统原理图如图 4.2 所示。

同步脉冲发生器

220Ⅴ C R

PID温度显示 调节仪

R1

Z S

K1

R2

R5 R6

放大与触发 电路

B3

R3

R4 RW2

R7

RW1

稳压电源 DL

图 4.2 可控硅调压器控温系统原理图

图 4.2 中虚线框是移相触发式可控硅调压器,K 是拨动开关,它有 Z(自动)位置和 S(手动)位置。当 K 拨向 Z 时,就可以实现温度的自动控制,其控温过程大致如下:当 检定炉炉温发生变化时,将引起热电偶送至 PID 温度显示调节仪的热电势发生变化,其 输出电流也就会随着热电势的变化而变化。变化的直流电流信号输送到可控硅调压器的 输入端,在其电阻 Rz 上造成直流电压降,此电压降与电位器 R4 上的预给电压、电位器

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R6 上的反馈电压叠加以后, 输入至放大与触发电路。 放大与触发电路又将直流电压信号 转变成相应的移相触发脉冲信号,触发脉冲信号经过脉冲变压器 B3 送到可控硅的控制 极上,使可控硅的导通角改变。反并联的两只可控硅接在主回路中,分别控制交流单相 电源正负半周的导通角。加在放大与触发电路上的输入电压越大,可控硅的导通角就越 大,因而使检定炉的温度发生变化,实现炉温的自动控制。 可控硅调压器的优点是调节精度比较高,体积小,重量轻,效率高,寿命长,没有 噪音。是一种比较理想的电热温度控制装置。但它也有缺点,由于可控硅调压器采用移 相触发的原理,因而在负载上必然是一种有缺角的正弦波。还有电源波形畸变和高频电 磁波辐射往往会产生某些不良后果[12]。

4.3 数据采集系统设计
4.3.1 数据采集原理 模拟信号 y(t)经过采样开关抽样成离散的模拟信号,再经 A/D 转换器转换为计算机 能接受的数字信号 Y(nT)。其中采样信号可用式(4-1)表示:
y (t ) ? ? y (nT )?(t - nT)
i ?0 n

(4-1)

? ? ,在 t ? nT 时, ?(t ? nT) ? 0 。采样信号 y(t ) 仅 其中,在 t=nT 时,?(t ? nT)

在采样时刻 0,T,2T??nT 有值,如第 k 时刻的值为 y(kT ) 。在采样过程中,应注重 采样周期 T 的选择。即: 1、T 的选择应满足采样定理: ?S ? 2?max 。 2、从控制性能来考虑:T 越小,越接近连续系统,控制精度越高,但计算量越大, 使可控制的回路数越小,且执行机构来不及响应。 3、T 的选择影响因素较多,一般可根据对象来经验选取。 数据采集原理如图 4.3 所示[13]。

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采样器 Y(t) Y*(t) A/D

R(nT) Y(nt) ∑ -

计算机 + D(z) U(nt) D/A U(t)

对象 G(s)

模拟 信号 Y(t)

离散模拟 信号 Y*(t)

数字信 号 Y(nt)

数字 信号 U(nt)

量化模拟 信号 U(t)

23(10111)

15(01111)

24(11000)

0

t

0

20(10100)
t

(01001)81
3T t 0 T

T 2T

2T 3T

图 4.3 数据采集原理图

(11001)61
t

0 T 2T 3T

0 T 2T 3T

t

4.3.2 数据采集系统的实现 数据采集系统的硬件主要由 AI 通道十计算机系统(主机+常规外设)两部分构成,软 件则由各种功能模块构成。 数据采集系统主要是对检定炉内的标准和被检热电偶参数(热 电动势)进行定时采集、检查{有效性及越限检查}、处理(数字滤波、线性化、工程量转 换等)、存储、显示、打印、报警等。系统在运行过程中,可随时接受由键盘输入命令, 以达到随时选择采集、显示、打印的目的。 数据采集部分将检测数据从采集卡读入计算机中,同时对数据进行预处理,实时地 显示采样结果。用数据滤波来消除数据采集过程中偶然的脉冲干扰和周期性干扰。数据 采样时,为了减少温度变化引起的测量误差,每个采样周期对选定的通道巡测 1 次,连 续采集 20 次后取平均值, 测量的顺序为: 标准—被标 1—被标 2??被标 n—被标 n?? 被标 n—被标 2—被标 1—标准。用相同的方法获取 3 个结果,取中间值作为有效的采样 值[14][15]。

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第五章 热电偶检定系统的硬件配置
5.1 DAQ 系统设计
通过数据采集卡获取数据的虚拟仪器称为 PC-DAQ(Data Acquisition,数据采集,简 称 DAQ)卡式仪器。 数据采集卡为 I/O 接口设备, 对 I/O 接口设备的驱动是通过相应模板 中的图标函数来实现的。 从最基本的角度出发, DAQ 系统的主要任务是测量或生成物理 信号。一个 DAQ 系统除了插入式 DAQ 卡之外,通常还包括信号调理模块以及一套用于 获取、处理数据,分析、显示、存储数据的软件,基本结构如图 5.1 所示。
内存 DAQ板卡 Buffer (FIFO) 驱动 程序 LabVIEW 程序

A/D 信号

硬件

显示

图 5.1 数据采集系统结构

5.1.1 信号调理卡 热电偶的输出电压很小,并且对噪声敏感。因此,在测量前常需要进行放大和滤波, 而且不能把被测信号直接连接到数据采集卡上,而必须使用信号调理辅助电路,需要先 将信号进行一定的处理。本设计使用的是由 NI 公司制作的一个非常易于扩展的仪器信 号调节可扩展系统(SCC-TC02)。SCC-TC02 信号调理模块是一个多用途、高性能的信号 调理平台,适用于通道超过一定数量、封装条件恶劣、并且对信号调理要求很高的应用 系统。它是一个自带冷端温度补偿的热电偶输入模块,可接各种标准热电偶,也可以用

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作插卡式数据采集板、VXI 模块或 PXI 模块的调理前端,还可以将它作为完整的远程数 据采集模块。通过 SCC 模块强大的多路能力,SCXI 模块可以将多路信号接入到一块数 据采集板上。对于多通道、缓变的数据采集系统,如温度监测系统,SCC 是一种高可靠 性的选择。 5.1.2 数据采集卡 PCI-6221 是 NI 公司 NI 6221 系列数据采集卡之一,是一种性能优良、适合 PC 的数 据采集卡,能够完成信号采集、数字信号的模拟输出以及定时、计数等功能。它有 16 个模拟量输入通道(对差分输入是 8 对模拟输入通道)、2 个模拟量输出通道。 16 个模拟输入通道 ai0~ai15,其内部模数转换器是 16bit 逐步逼近式,可以将其设 定为 16 个单端信号输入方式或 8 个差动信号输入方式。 该卡具有三种不同的模拟输入模 式:RSE、NRSE、DIFF 输入模式。RSE 是单端参考地模式;NRSE 是单端无参考地模 式; DIFF 是差分模式。 PCI-6221 的模拟输入还可以选择单极性或双极性。 选择单极性, 输入电压范围为 0~10V;选择双极性,输入电压范围为-5V~+5V。我们设置模拟输入为 单极性。 2 个模拟输出通道 ao0 和 ao1,可以设置模拟输出通道为单极性或双极性输出。单极 性输出范围为 0~10V;双极性输出范围为-5V~+5V。我们设置的模拟输出为单极性。ao0 对应模拟输出通道 0,ao1 对应模拟输出通道 1。AGND 是这两个模拟输出端的参考地。 在使用前要进行硬件安装和软件设置。硬件安装就是将数据采集卡插入 PC 机的标 准总线扩展槽内,软件安装就是对 NI 公司数据采集卡的驱动软件“NI-DAQ”装入 PC 机。安装完毕后,要对 PCI/PXI-6221 卡进行测试与设置。 5.1.3 DAQ 硬件配置 LabVIEW 中安装了用于建立各种卡及通道配置参数的配置工具。该工具称为 Measurement&Automation Explorer, 简称 MAX。 MAX 工具会读取设备管理器在 Windows

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注册表中记录的信息, 并为每个 DAQ 卡分配逻辑设备号。 图 5.2 显示了 DAQ 卡与 MAX 之间的关系。
Windows设置 Measurerment@Automation Explorer LabVIEW(用于Windows) DAQ库VI

Windows注册表

NI-DAQ(用于Windows)

DAQ卡

图 5.2 Windows 配置管理

启动 MAX 后, 打开 Devices and Interfaces 节点, 看到 DAQ 卡 PCI-6221 是 Devices1, 接着配置一个虚拟通道。虚拟通道是配置通道的快捷方式,可以为物理通道指定一个描 述性的名称。在 Data Neighborhood 图标上弹出快捷菜单选择 Create new?之后,再通过 选择 Virtual Channel 来配置一个从热电偶读取数据的通道:模拟输入(Analog Input)通道 0。按下 Finish 后,弹出一个用于设置新通道的窗口,可以设置通道类型,选择“Analog Input ”模拟输入通道。继续按下 Next ,命名虚拟通道,将虚拟仪器的通道命名为 “Temperature”并添加简要说明。命名完虚拟通道后,进一步选择传感器类型“Custom Thermocouple” ,最后是定义数据单位及刻度区间,选择摄氏度(Deg C)(℃)为单位,并根 据实际情况定义刻度区间,至此 DAQ 硬件配置结束。

5.2 热电偶检定炉
热电偶检定规程要求,检定炉应具有较厚的保温层以及较小的电感效应,以免引起

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温度及电信号的跳动。 本系统选用的热电偶检定炉是本学校实验室的回转式管式电阻炉。 回转式管式电阻炉呈一圆柱体。炉壳采用薄钢板焊制而成。工作室为耐火材料烧制成型 的管型炉膛,炉膛外表面制有螺旋形的丝槽。炉壳和炉膛之间封底保温材料。它是以硅 碳棒为发热元件,使用时能在额定温度范围内自动控温,在各检定点检测过程中,炉温 的变化率≤0.1℃/min 。它的额定电压为 220V,额定功率为 1kw,工作温度 1200℃。回 转式管式电阻炉系周期作业式。供实验室、工矿企业、科研等单位做元素分析测定、熔 解金属和一般小型钢件热处理加热用。

5.3 JKH-C2 型可控硅移相触发器/调压器
1、产品简介 JKH-C2 型可控硅移相触发器/调压器采用板卡加模块化结构,高性能开关电源,具 有多种输入规格。控制输入与触发输出光电隔离,既可以与各种自动化仪表配套使用, 也可作为 0-220V、0-380V/500W 调压器使用。自动控制时对仪表无干扰,广泛应用于负 载要求连续平滑调节、低电压大电流以及控制精度要求较高或不允许大电流冲击的单相 控制系统。如直流电机的调速、调压、充电,电阻炉的温度控制等。接线简便,无须外 接同步变压器,无须考虑相序问题。可靠的过流保护使得主回路可控硅损坏不会导致控 制器损坏,甚至在触发线路接错的情况下,短时间内也不会损坏。 主要技术指标如下: 输入规格:0-l0mA,4-20mA,0-5V,1-5V 可选 移相范围:0-180 触发容量:(800A)的双向或两个单向反并联的可控硅 电源电压:85-264VAC 外形尺寸:96*48*115mm(高*宽*深)

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开口尺寸:92*45mm(高*宽) 2、接线端子 JKH-C2 型可控硅移相触发器接线端子如图 5.3 所示。
1 2 触发 输出端 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 85-264VAC 16 0-10mA、 4-20mA + 可选输入 0-5V、1-5V

图 5. 3 JKH-C2 型可控硅移相触发器接线端子

3、接线方法 本检定系统选用的 JKH-C2 型可控硅移相触发器/调压器与实验室现有的双向可控硅 电路板之间的连接方法如图 5.4 所示。
220/380VAC 1 2 触发 输出端 3 4 5 6 7 8
阻性负载

9 10 11 12 13 14 15 16

4-20mA 0-10mA、 0-5V、1-5V

+可选输入

85-264VAC

图 5. 4 JKH-C2 型可控硅移相触发器的接线方法

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5.4 零点恒温器
热电偶热电势的大小不仅与热电极的材料有关, 也与热电偶的两端(测量端和参考端) 温度有关。只有在参考端温度恒定的情况下,热电势才能正确反映测量端温度大小。此 外, 热电偶的分度表以及根据分度表刻度的温度仪表, 都是以热电偶参考端温度等于 0℃ 为条件的。因此,在实际应用中,为消除参考端温度变化对测量的影响,就必须采取修 正或补偿等措施。作为实验室检定系统,通常是用清洁的水制成碎冰,然后与清洁的水 混合放于保温瓶中,使其达到 0℃。为了保持温度在± 0.02℃范围内,对水的纯度、碎冰 块的大小,以及冰水混合状态都有严格的要求。

5.5 计算机配置
本自动检定系统对于计算机的硬件配置要求不高,主机的最低配置最好在 1.7GCPU,64M 内存,20G 硬盘空间以上;用来输入程序和数据的输入设备包括键盘和 鼠标;用来把各种检定信息和数据提供给系统操作人员的输出设备包括显示器和一台打 印机; 操作系统基于微软 Windows2000/XP 以上视窗平台, 应用软件包括 Microsoft Excel 和 Word 等办公软件,以便于检定记录的录入、输出和整理。

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第六章 热电偶检定系统的软件设计与开发
软件系统的设计与开发是实现标准热电偶自动检定过程正常运行的灵魂,同时也是 本课题研究的难点和重点内容。本章将详细介绍系统软件开发的设计思想、程序设计和 编写、各功能模块的实现以及具体应用时的操作方法。

6.1 软件系统的整体设计
系统软件部分包括数据采集和数据处理,全部采用 LabVIEW8.5 来编写,软件设计 依据标准热电偶的检定规程,并力求使系统操作简单、直观和方便。其软件设计总流程 图如图 6.1 所示[16]。
系统启动

初始设置

炉温正常? Y N 开始检定 炉温调控 数据采集 N

数据处理 超时? 保存数据 Y

打印数据

退出系统

图 6. 1 软件设计总流程图

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从系统的软件流程图上看:系统启动后,如果炉温正常,则开始检定、数据采集、 数据处理、保存数据、打印数据,最后退出系统;如果系统启动后炉温不正常,则先进 行炉温调控,调控完毕后再开始检定;若调控超时则直接退出系统。 在系统主界面上进行初始设置,具体内容为设置输入通道、采样模式、输入方式配 置、每通道采样点数、最大值与最小值及选择热电偶类型。初始设置完毕后即开始检定, 实际测量得到的被检偶温度和实际的炉温(通过标准偶测得)以两种形式同时出现检定界 面上,一是二者以数组形式表示,二是借助温度计图形以直观表示。然后将被检偶数值 减去标准偶数值作为采样点的误差量,误差量再取相反数即可得到采样点的修正量,二 者同样以数组形式表示。待到整个检定工作完全完成之后,系统提示请保存数据,根据 需要以记事本形式将数据保存到 PC 机某个目录下,打开该文件即可进行打印。基于安 全考虑,增加了预警系统,正常情况下,显示灯为绿色,当实际温度超过温度范围时, 显示灯变为红色,同时系统开始以蜂鸣声示警[17]。

6.2 软件设计
依据系统功能需要,设计了登陆系统、初始设置、预警系统、数据采集、数据记录 与读取、温度曲线、误差与修正曲线 7 个子 VI。其总的系统的前面板如附录 A 所示, 总的数据流程图如附录 B 所示。下面对上面所说的 7 个子 VI 分别进行介绍。 6.2.1 登陆系统子 VI 为了维护系统的安全性和保护作者的权利,防止他人随意使用该系统,本文特意设 计一个登陆口,只有通过正确的用户名和密码才能登陆此系统,从而使用该系统进行相 关的操作。 1.前面板((Front Panel)设计窗口 图 6.2 就是所设计的登陆系统的前面板,用户只要在运行时写入正确的用户名和密

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码,就可以登陆此系统,从而进行接下来的操作。

图 6.2 登陆系统子 VI 前面板

2.数据流编程 登陆系统的数据流程图如图 6.3 所示,应用一个条件结构,当用户名和密码正确时 为真,显示登陆成功;为假时显示登陆失败。

图 6.3 登陆系统子 VI 数据流程图

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6.2.2 初始设置子 VI 初始设置子 VI 是对热电偶检定所需的一些初始项进行设置,具体内容如下: 1.前面板((Front Panel)设计窗口

放置 2 个

的目的是为了选择标准偶类型与被检偶类型,其中列出了现行

国际标准规定的 8 种热电偶类型(系统默认为 J 型热电偶)。我们选择了被检偶的类型之 后,即可进行输入通道、采样模式、输入方式、每通道采样点数、最大值与最小值的配 置。前面板窗口如图 6.4 所示。

图 6. 4 初始设置子 VI 前面板

2.流程图(Block Diagram)窗口

在流程图中,根据任务需要,添加 (DAQmx Timing)功能图标。 3. 数据流编程

(DAQmx Create Channel) 、

根据任务需要,使用连线工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连,实现 数据从源头按规定的运行方式送到终点。如图 6.5 所示。

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图 6.5 初始设置子 VI 数据流编程

6.2.3 预警系统子 VI 在热电偶检定炉升温过程中,由于一些外界客观原因的影响,可能会出现一些异常 情况。预警系统子 VI 作为一种防范措施,是必不可少的。当被检偶温度(实际炉温)超过 设定的温度区间时, 或者被检偶温度值与标准偶温度值相差太大时, 指示灯会由绿变红, 并发出蜂鸣声。具体内容如下: 1.前面板(Front Panel)设计窗口 在前面板上放置一个“Round Led”布郎型控件,并且在程序图中设定温度上限与温 度下限。若温度正常,则指示灯显示为绿色,否则指示灯显示红色,如图 6.6 所示。

图 6.6 预警系统子 VI 前面板

2.流程图(Block Diagram)窗口

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在流程图中,根据任务需要,添加 (and)、 (Not) 、

(Great or Equal)、

(Small or Equal)、

(Beep.VI)功能图标和条件(Case Structure)结构图标。

3.数据流编程

根据任务需要,使用连线工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连,实现 数据从源头按规定的运行方式送到目的终点。如图 6.7 所示。

图 6. 7 预警系统子 VI 数据流编程

这里,需详细介绍一下条件(Case Structures)结构图标的作用。它是执行条件语句的 一种方法,类似于常规的文本编程语句中常见的“if . . .Then. . .Else”语句。当被检 偶温度小于起始温度或大于最大温度时, 或者被检偶温度值与标准偶温度值相差太大时, 即条件端子为真时,系统会执行图 6.8 所示程序。反之,条件端子为假时,系统会执行 图 6.9 所示程序, (Beep.VI)会发出蜂鸣声,以示报警。

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图 6.8 条件端子为真时

图 6.9 条件端子为假时

6.2.4 数据采集子 VI

数据采集是本文的重点。在采集数据前,首先要对输入通道、采样模式、输入方式、 每通道采样点数、最大值与最小值以及热电偶类型进行配置,当配置结束后,则开始进 行信号采集,因为热电偶发出的信号为毫伏级的微弱信号,所以要将此微弱信号送入信 号调理模块进行放大、滤波,再通过数据采集卡 PCI-6221 将数据送入计算机,然后由计 算机虚拟仪器平台实现热电偶的自动检定。由于数据采集卡采集到的信号为电压信号, 所以要通过 (转换热电偶读数)将此信号转换为温度信号,最终通过 Waveform Chart (转换热电偶读数)是为了将采集进来的热电偶电势值转换

显示出温度波形图。添加

为温度值,此功能图标内部已经包含标度变换与冷端温度补偿电路。应用此图标,人们 可以根据热电偶类型直接将检测到的热电势转换为温度信号,而不用再去专门设置标度 变换,省去了许多麻烦。其前面板见图 6.10,数据流编程见图 6.11。

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图 6.10 数据采集子 VI 前面板

图 6.11 数据采集子 VI 框图数据流编程

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6.2.5 数据记录与读取子 VI 数据记录与采集子 VI 是借助于 (Format Into String)将检定的数据保存在记事本

里。在此添加

(Buil Path )是为了将数据保存在当前设定的路径下。添加

在前面

板中显示采集到的数据。然后读取数据可以读取刚才保存到记事本中的数据。其数据流 编程如图 6.12 所示。

图 6.12 数据记录子 VI 框图数据流编程

6.2.6 温度曲线子 VI 温度曲线子 VI 是借助于 Waveform Chart 中两条不同颜色的曲线来显示检定过程中 被检偶和标准偶的温度变化情况。具体内容如下: 1.前面板(Front Panel)设计窗口 前面板有一个 Waveform Chart,用红色曲线表示标准偶温度变化情况,蓝色曲线表 示被检偶温度变化情况。坐标横轴为时间轴,单位为秒,坐标纵轴为温度轴,单位为℃。 使用 Advanced 菜单中的 Auto Scale X 和 Auto Scale Y 可自动调整图表及图形中 X、 Y轴

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的刻度区间。如图 6.13 所示。

图 6.13 温度曲线子 VI 前面板

2.数据流编程

此框图中

(转换热电偶读数)转换出来的温度信号使标准偶温度曲线与被检偶温

度曲线在一个波形图中显示出来。如图 6.14 所示。

图 6.14 温度曲线子 VI 数据流编程

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6.2.7 误差与修正曲线子 VI 误差与修正曲线子 VI 是借助 Waveform Chart 来表示检定过程中检测值与标准值之 间的误差和修正情况。具体内容如下: 1.前面板((Front Panel)设计窗口 前面板有一个 Waveform Chart,用红色曲线表示误差和修正曲线,坐标横轴为时间 轴, 坐标纵轴为温度轴, 单位为℃。 使用 Advanced 菜单中的 Auto ScaleX 和 Auto Scale Y 可自动调整图表及图形中 X、Y 轴的刻度区间。如图 6.15 所示。

图 6.15 误差与修正曲线子 VI 前面板

2.流程图(Block Diagram)窗口 在设计好前面板后,打开流程图。根据任务需要,添加 热电偶读数)、 (Negate)等功能图标。 (Wait)、 、 (转换

3.数据流编程

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这里添加

是为了设置每次循环的时间间隔为 1000ms。 添加

是为了将检 (Negate)

测到的被检偶温度值与标准偶温度值相减, 从而得到误差值, 再将误差值通过 从而得到修正值。数据流程图如图 6.16 所示。

图 6.16 误差与修正曲线子 VI 框图数据流编程

6.3 检定结果分析
本设计以一支 K 型热电偶为例,按照检定规程最好应在 400℃、600℃、800℃三个 检定点进行检定,但由于现场条件所限,只能在 400℃以下进行检定,得到的数据如下 图 6.17 所示:

图 6.17 检定结果记录

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到此为止,基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统初步设计完成,利用此系统就可以 检定热电偶是否符合标准,从而判定其是否可以继续使用[18][19]。

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第七章 总结
十六周的毕业设计马上就要结束了, 我的毕业设计也基本上完成了。 从最初的茫然, 到慢慢的进入状态,再到对思路逐渐的清晰,整个写作过程难以用语言来表达。历经了 几个月的奋战, 紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。 回想这段日子的经历和感受, 我感慨万千,在这次毕业设计的过程中,我拥有了无数难忘的回忆和收获。脚踏实地, 认真严谨,实事求是的学习态度,不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设 计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练,是对我实际能力的一次提升,也会对我未 来的学习和工作有很大的帮助。希望以后可以学以致用,回报学校,回报社会。

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参考文献
1.张陈荣.基于 LabVIEW 虚拟仪器的研究与开发[D].合肥:合肥工业大学,2007. 2.张霞.基于 LabVIEW 的虚拟仪器的研究和设计[D].武汉:武汉理工大学,2005,5. 3.李艳.基于 LabVIEW 虚拟实验仪器的设计与应用[D].南京:南京理工大学,2007,11. 4.杨乐平,李海涛,肖相生.LabVIEW 程序设计与应用.北京:电子工业出版社,2001. 5.刘君华,郭会军,赵向阳.基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计.北京:电子工业出版社,2003. 6.JJG351—1996 工作用廉金属热电偶检定规程. 7.徐科军.传感器与检测技术[M].北京:电子工业出版社,2004,9. 8.黄泽铣,石质彦.热电偶原理及其检定[M].北京:中国计量出版社,1993. 9.薛菲.现场总线热电偶温度检测装置的研制[D].武汉:武汉理工大学,2004. 10. 全卫国,侯立群 . 基于虚拟仪器的热电偶自动计量检定系统 [J]. 传感技术, 2004 , 23(7):50-53. 11.苏建军,蒙艳玫,袁海英.基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统研究[J].现代制造工程, 2004,12(5):71-73. 12.张铁锋.基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统[D].大连:大连理工大学,2006,12. 13.程刚.在 Labwindows/CVI 环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统[D].四川 大学,2003,10. 14.龙涛.标准热电偶微机自动检定系统的研究[D].昆明:昆明理工大学,2005. 15.凌子松.热电偶热电阻温度自动检定系统[D].吉林:吉林大学,2005. 16.黄艳岩.LabVIEW 平台下工业热电偶自动检定系统的研究[D].中国计量科学研究院, 2004,6. 17. 李志斌,杨平 . 全自动热电偶检定系统的设计与实现 [J]. 计量装置及应用, 2006 , 6(2):25-27.

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18.LabVIEW User Manual,National Instruments Corporation,2000. 19.Wen Sihai,Chung DDL.Carbon fiber polymer-matrix composite interfaces as thermocouple Junctions.Composite Interfaces,1999,6(6):1989-1993. 20.www.cnki.net. 21.www.21cn.net.

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附录 A 总系统前面板

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附录 B 总系统数据流程图

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致谢

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光阴飞逝,十六周的毕业设计马上就要结束了,回首这半年里的每一个日子,各种 滋味,历历在目。在毕业设计马上就要完成之际,特向帮助过我的老师和同学们致以最 诚挚的感谢!在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了,同学之间互相帮助, 有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法对我们更好的理解知识,所以在这里非 常感谢帮助我的同学。 在此更要感谢我的辅导老师闫俊红老师, 是你的细心指导和关怀, 使我能够顺利的完成毕业论文。闫老师严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神 使我深受启迪。从尊敬的老师身上,我不仅学到了扎实、宽广的专业知识,也学到了做 人的道理。在此我要向我的辅导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。毕业设计历时半 年,感谢学校领导给予我们这个良好的环境平台,给了我们这么好的设计环境,先进的 实验室和先进的实验设备而,帮助我们能够更好的完成我们的毕业设计。在此,我还要 对测控专业所有的老师说一声谢谢,在这四年的学习中,我们从你们那里得到了很多, 不仅是知识还有很多做人的道理。临近毕业,我无以回报,只希望将来能够学有所成来 回报我的老师和母校。 最后请允许我再次向帮助过我的老师和同学们致以最崇高的敬意。 谢谢大家!


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