庞启　成妍妍　龙翠翠

关键词：热电偶传感器;LabVIEW;虚拟仿真

中图分类号：TP337 文献标志码：A

近年来，随着高等职业院校的增加和招生规模的不断扩大，对于设备经费投入巨大且仪器设备更新换代较快的高职应用技术型专业，部分学校现有实验资源已不能完全满足实践教学需求。尤其在经济欠发达地区，部分实验仪器更新换代速度较慢，同时实验耗材投入较大，有限的办学经费已经导致实验设备陈旧或短缺现象较为普遍，学校整体实验条件已远落后于发达地区。当前高职类专业学生中大部分存在基础不扎实、动手能力弱、学习主动性不强等问题，实验设备的短缺和落后问题对学生专业实践能力的提升产生了极大的影响，已不利于学生自身专业知识学习和综合发展。

LabVIEW以图形化编程、简单易操作、可根据实际需要修改虚拟仪器功能等[1]独特优势，在测试测量、仿真[2-3]等领域得到了极大的应用。高校实验教学中，虚拟仿真实验系统在辅助教学中的应用也越来越多[4-10]，一定程度上弥补了因实验设备短缺给学生学习带来的影响。基于LabVIEW软件的热电偶虚拟仿真实验系统中，主要由“数据采集”“数据库建立”“系数拟合和绘图”“温度解调”四个模块组成，具备仿真温度数据采集、实时观测、系数拟合和数据分析等功能。数据观测采集中，对冷端温度不为零的情况进行了三种不同方式的修正处理，便于学生观察冷端温度对于实验结果的影响，有助于学生对实验基本原理的理解和掌握，在传感器课程的实验辅助教学中具有积极作用。

1实验原理

1.1热电偶工作基本原理

热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的装置，两种不同的导体（或半导体）材料A和B组成一个闭合回路，若两个接触点温度T 和T 不同，则在回路中产生热电势，形成回路电流，如图1所示。

电路中热电势的大小为：

总电势中，忽略温差电势大小，冷端温度T為恒定值时，热电势大小为：

1.2冷端温度校正

热电偶传感器测温时，均是在冷端温度保持在0℃的情况下得到的，数据测量中使用的配套电路和相关显示仪器都是根据这一关系曲线刻度，在冷端温度不为零的情况下，需要对数值加以修正。

1.2.1热电势温度修正法

若冷端温度高于0℃，则温度测量值要小于真实值，为求出真实温度值，利用中间温度法则进行修正得：

式（3）中，k为热电偶修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范围，具体数值可以通过查看热电偶k值表获取。

2虚拟仿真系统设计

基于LabVIEW软件平台，以镍铬-镍硅热电偶（分度号K）为研究对象，设计了热电偶虚拟仿真实验系统，通过系统前面板的选项卡可以选择需要的功能。为了模拟真实实验，在待测温度中加入了一定的随机误差数据，随机误差不大于对应参量值的1%，模拟数据为动态数据，每隔1s变化一次。待测温度值固定时，可以在未对数据进行任何修正的“数据采集”界面，通过调节冷端温度值观测冷端温度变化时电压值的变化，直接感受冷端温度的不稳定性对于实验结果的影响。数据修正后，调节冷端温度值恒为零，热端温度T逐渐升高时，采集多组温度和电压数据，建立热电偶传感器数据库，拟合出电压和温度曲线系数。也可根据得到的电势值，对应热电偶分度表，测出待测温度值。

2.1数据采集

图3和图4为冷端温度T 不为零时数据采集前面板和程序界面。在采集界面上，冷端温度可以在温度计上自由设置，热端温度T在两个表盘上选择。左端表盘为热端温度T≥0 ℃时选用，右端表盘为热端温度T<0 ℃时选用，分开选用不同表盘，可以有效避免热端温度T 从零下向零上变化时，电压值和热端温度不是完全线性的问题。冷端温度T恒定，调整T时，可实时观测到热电势的变化。数据采集完成后，在“创建数据库”界面完成数据储存，便于后期调用。

2.2数据拟合及分析

“数据库建立”界面中，根据实验需求完成对仿真实验数据的分类储存。图5为“系数拟合及绘图”前面板，该界面上可实现数据调取和系数拟合，在文件选择处输入数据储存路径，程序运行时，拟合曲线如图5中所示，各曲线斜率值和截距见表1所列，数据记录见表2所列。

数据显示冷端温度变化时，通过热电势温度修正法、温度修正法以及冷端温度自动补偿法修正后，拟合出的不同情况下热电势E和热端温度T的关系曲线基本为线性关系。以镍铬-镍硅热电偶（分度号K）电压值为参考值，热端温度相同时，通过三种不同方式修正后的电压值和参考电压值趋于相等，基本消除了冷端温度不为零对实验结果的影响。其中，热电势温度修正法和冷端温度自动补偿法得到的电压值更接近于K型热电偶分度表值，温度误差更小。热端温度T≥10 ℃时，各曲线线性度最好。

3结束语

基于LabVIEW软件设计的热电偶传感器仿真实验系统中，完成了冷端温度的变化对于实验结果影响的直接数据观测，完成了冷端温度修正后的数据采集、拟合和分析。实验表明，虚拟仿真系统能够实时反馈热端温度变化时热电势的变化，基本消除了冷端温度不为零对实验结果的影响，实验效果较好，在传感器实验辅助教学中，有助于提升学生对理论知识和实验原理的理解和掌握，具有一定的应用价值。