【摘要】为了克服传统差热分析仪器价格贵、可扩展能力差的缺点，以及操作人员人为因素带来的系统误差的影响，针对对化学物质的差热分析的需要，本文设计了基于LabJack U12数据采集器和LabVIEW 8.0虚拟仪器的开发软件的温度信号采集与数据处理系统。该系统以热电偶和JKU12数据采集器为硬件平台，完成温度信号的采集。该系统结构简单、使用方便、可移植用于对其它低频信号的测试，具有很好的应用价值。
【关键词】LabJack U12；数据采集器；虚拟仪器；差热分析；信号采集
1.引言
20世纪80年代美国国家仪器公司提出了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念，它是电子技术和计算机技术相结合的产物。它是将传统仪器装入计算机，只将数据的采集交由硬件来做，而传统仪器中复杂的数据处理、分析、显示则交由功能强大的计算机软件来完成。这样一来，虚拟仪器无论在功能、价格、携带上都远远优越于传统仪器。从二十世纪八十年代“虚拟仪器”的概念的提出一来，短短30几年的时间，虚拟仪器技术得到了很快的发展。虚拟仪器技术在工业过程控制、医疗卫生、电子通信、航空航天、教育教学等领域已经得到了广泛的应用。例如2008年北京奥运会的主会场鸟巢的结构安全检测及奥运会期间的天气预报、山东大学医学院研究的胸双极立体心电图及其三维可视系统都采用了虚拟仪器技术。
差热分析（Differential Thermal Analysis-DTA）法是一种重要的热分析方法。它是指在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。该技术广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度以及吸收或放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应。差热分析虽然操作简单，但在实际工作中往往发现同一试样在不同仪器上测量，或不同的人在同一仪器上测量，所得到的差热曲线的结果有差异。鉴于虚拟仪器的强大的功能，本文设计了能实现差热曲线自动检测的温度采集和处理系统，很大程度上消除了人为因素造成的误差。
2.系统的硬件设计
本设计系统中的温度的采集，首先是利用热电偶来测量被测物质的温度，由此输出的信号再通过LabJack U12将信号输入到计算机中，与此同时我们还采用数字温度传感器对热电偶冷端（参比端）温度进行实时测量，以此来实现对热电偶的冷端补偿，最后通过算法、查表法实现数据的校正。如图1所示。
本设计中差热分析中的温度的测量是通过热电偶传感器获得的。热电偶是基于物体的热电效应，把温度信号转换成电压信号的元件。
由热电偶的测温原理可知，热电极A与B所构成的热电势满足：
若将参比端温度保持一定，使等于常数C，这时热电偶的热电势关系变成：
从理论上讲，用式（2）关系测量，设法保持参比端温度恒定是行之有效的，而且式（2）又是一个单值函数的关系，测量也变得比较简单。然而在实际测量当中，却难以做到不变。由式（1）可得：
式（3）、（4）中，表示热电偶的测量端温度为t，参比端温度为0℃时的热电势；表示热电偶的测量端温度为t0，参比端温度为0℃时的热电势；式（3）与式（4）相减，与式（1）比较，可得：
表示热电偶的测量端温度为t，参比端温度为t0时的热电势；也就是实际测到的热电势值。有了式（5），利用软件处理方法，从对应热电偶的分度表中自动查出对应于t0的热电势，再将这个热电势值与实际所测得的相加，得到的结果就是热电偶的测量端的温度为t，参比端温度为0℃时对应于的热电势，最后再从分度表中自动查得对应于的温度值，这个温度就是热电偶测量端的实际温度t。
3.系统的软件设计
本设计系统的LabVIEW程序的由一个大的条件结构构成，通过前面板的按钮控制数据的读取，其内部由一个大While循环构成，主要由信号数据采集、图形显示、实验数据保存、历史数据回显、错误处理、打印图形等模块构成，实现了高度的模块化和自动测试的设计。
3.1 系统的主界面（Front Panel）
前面板是用户操作仪器的控制界面，用户与仪器进行通讯，输入设置参数及输出结果显示的用户接口，是一种利用虚拟仪器软件制作的面向用户的人机交互式界面。本文设计的数据采集和处理系统的前面板如图2所示。该前面板上放置了一个输入控件“Enable Stream”，点击它就可以自动完成信号采集；一个图形显示控件用于实时显示采集到的信号图形；另外还有通道配置、采样率、扫描次数、演示、读取历史数据、文件存储路径选择等控件。下面简要介绍其中的主要功能模块。
3.2 系统的主要模块
（1）数据采集模块
在整个程序中至关重要。其参数设置正确与否，直接影响到后面的分析、处理、显示等功能的实现。这部分的参数设置主要包括设备与通道设置、采样率、扫描次数设置等。
本设计数据采集所用的是AIStreamStart函数，实现硬件定时的连续数据采集。AIStreamStart函数进行数据连续采集时，先是将数据存放在LabJack的缓冲区内，然后传送到计算机的内存中。调用该函数后必须不断调用AIStreamRead函数（读取等待可用的扫描信号数），最后调用AIStreamClear函数（此函数将停止连续数据的获得，它必须在流程结束后调用）。注意在连续采集的过程中，LabJack是不能做任何的其它工作的。
（2）数据处理模块
该数据处理模块的功能主要是将采集到的各个时间点上的温度或历史保存的温度数据按照时间顺序生成数组，为后面的图形的显示作铺垫。该模块是使用层叠式顺序结构，通过调用LabJack U12安装程序自带的“apply formula to array.vi”程序实现的。
（3）图形显示模块
在这个程序中要把采集到的温度与时间的关系以图形的形式显示出来，即图形显示的横坐标为时间，纵坐标为温度值，二者的值要一一对应起来，在图形形成一个点。各个点通过曲线拟合形成差热曲线。在程序的设计过程中要特别注意图形显示的实时性，只要点击前面板的开始采集按钮，差热曲线就根据采集到的温度数值的变化而随即变化。
4.结论
本文通过对LabJack的封装程序LJStream函数的改动，设计了基于LabVIEW和LabJack U12的温度数据采集和处理系统。经调试证明可以很好地实现4通道数据的单端输入或差分输入的数据的采集、图形的显示、数据的保存、图表的打印等功能。该系统给差热分析工作带来了很多方便，实现了数据采集处理的模块化和测试的自动化。实际上该系统已经用于某公司的差热曲线的自动测试中，且效果很好。另外该系统可移植来用于建筑物下沉位移量的自动测量、DTC的性能检测或其它低频信号的采集和数据处理中，具有很大的应用价值。
参考文献
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基金项目：2010年国家教育部电子特色专业建设项目。
作者简介：
张勤（1983—），女，硕士研究生，助教，研究方向：人工智能与自动控制。
张持健（1964—），男，博士，教授，研究方向：人工智能与自动控制技术。