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LabVIEW下實現(xiàn)熱分析儀器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
2017-02-07
硬件開發(fā)環(huán)境新儀器系統(tǒng)的硬件主要包括采樣器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、熱分析儀器系統(tǒng)主機和虛擬儀器操作平臺四部分組成。采樣器是熱分析儀器的傳感部分，有檢測天平重量變化的光電檢測裝置，檢測天平兩側(cè)（試樣邊支持皿和參比邊支持皿之間）溫度的熱電偶檢測裝置，檢測熱分析儀爐內(nèi)溫度的熱電偶檢測裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由模擬多路開關(guān)、溫度變送器、A/D轉(zhuǎn)換器及12位單片機組成，并通過單片機提供的串行通訊接口與作為虛擬儀器操作平臺的計算機數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)相連。熱分析儀器主機是指提供試樣試驗環(huán)境的硬件系統(tǒng)的組成，包括爐體、天平、差熱裝置及機殼等附屬結(jié)構(gòu)。虛擬儀器操作平臺是指用于進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析顯示及控制的計算機系統(tǒng)及虛擬儀器軟件環(huán)境（見）。
本研究項目包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)。軟件開發(fā)是重點，它主要實現(xiàn)一套能適用于WCT、WCR、WRT等系列熱分析儀器產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。各系列分別由相對獨立的采樣器和分析單元組成，軟件系統(tǒng)一方面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口配合，通過與儀器聯(lián)機而取得原始測試數(shù)據(jù)，一方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并把處理結(jié)果以圖譜、表格的形式打印輸出。
硬件部分的關(guān)鍵是開發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集接口。該部分由放大微弱信號的調(diào)理放大電路，加熱溫度控制單元，以及A/D轉(zhuǎn)換器組成。最終通過RS―232串行輸入輸出口實現(xiàn)通信。
本系統(tǒng)軟件的開發(fā)充分利用了Windows和LabVIEW所提供的豐富資源和強大工具，界面友好，人機交互快捷，操作直觀、方便，在保證硬件配置的情況下，實時采樣控制、數(shù)據(jù)處理、曲線分析的速度與質(zhì)量均令人滿意。利用虛擬技術(shù)的特點，開發(fā)本系統(tǒng)時，主要在以下幾個方面改進(jìn)與提升了熱分析系統(tǒng)的測試特性：單片機采集系統(tǒng)，提供了RS―232串行口輸入/輸出功能，通過計算機實現(xiàn)了程序式的升溫、降溫、恒溫等控制系統(tǒng)。只需確定試樣的測量值，校準(zhǔn)的過程可通過軟件自動完成。
將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析方法以模塊化的方式設(shè)計，幾個部分相互聯(lián)系又相互獨立，這樣就能充分利用Windows系統(tǒng)多線程工作的特點，不僅界面友好、層次明顯，而且有利于功能進(jìn)一步的擴展與提升。針對不同型號的系列產(chǎn)品，只需增加與刪減相關(guān)功能模塊，實現(xiàn)了柔性化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的拓寬與加深3.3熱電偶的線性化熱電偶的V―T特性是非線性的，必須對它進(jìn)行線性化。根據(jù)鉑銠10%/鉑熱電偶分度表（GB/T16839.11997熱電偶第1部分）建立T一V對應(yīng)數(shù)組，在發(fā)送加熱參數(shù)時，根據(jù)溫度直接查找對應(yīng)電壓值即可，對于采集實際溫度值，采用直線擬合的最小二乘法擬合，將熱電偶測溫范圍分為N段，每一段的回歸方程為y這樣，就保證采樣溫度的精度。
盡管數(shù)據(jù)在預(yù)處理中經(jīng)過了低通數(shù)字濾波，但難免還會疊加一定的野值。根據(jù)提到“輸入空（上接第26頁）編寫（程序略）：經(jīng)過這一段程序，我們得到了八個通道的A/D采集的結(jié)果，它們依次放在了首地址為0454的一片RAM區(qū)域。因為我們使用的是八位精度，所以每一個模擬量采集的結(jié)果對應(yīng)一個八位二進(jìn)制數(shù)，我們還要將該二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為我們需要的實際電壓值，如下公式：（2）：VilN―表示第I個米集通道采集的實際電壓，理論上等同公式（1）中的Va/d；間的有限變化只能引起輸出空間的有限變化”原理，再由實際儀器獲得變量變化范圍來確定合適的和令。若對應(yīng)的Xi在內(nèi)，則認(rèn)為變量不超過若I i一大于某閾值，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)為野值。剔除后，采用最小逼近原理，用剔掉的這個i觀測值的逼近點進(jìn)行修正處理。
5曲線分析虛擬儀器的優(yōu)勢之一就是在對曲線的分析處理。針對熱重分析的特點，即不但能選擇TG曲線某一段進(jìn)行分析，還有將整個實驗過程的不同時間、不同溫度條件下TG的變達(dá)到了界面簡潔清楚、結(jié)果準(zhǔn)確可靠的目的。
與熱重曲線分析相比，差熱曲線的分析要更加詳細(xì)復(fù)雜，采用“WaveformGraph的圖形顯示方式更容易達(dá)到要求。同時，也采用了”PicturePlots的功能，實現(xiàn)鼠標(biāo)對曲線的縮小放大、曲線段選擇、當(dāng)前點曲線值等操作。聯(lián)合曲線分析模塊則實現(xiàn)多曲的實際電壓的量化值（即我們所得的八位二進(jìn)制值）。
現(xiàn)在我們得到了ADCi，根據(jù)公式（2），我們可以用程序計算出Vv，因為VilN等同與ViA/D，再根據(jù)公式（1）以及設(shè)定和調(diào)整好的修正系數(shù)Ai，我們可以計算出ViR，這就是我們要采集的模擬量的實際值，把其轉(zhuǎn)換為ASC字符，就可以提供給顯示程序顯示以及其他程序使用。
利用單片機內(nèi)部的A/D采集系統(tǒng)，只需要考慮對所要檢測對象的線的計算比較，按樣品重量對曲線進(jìn)行歸一化處理，并且實現(xiàn)兩條曲線的差減計算及生成多階微分曲線。本研究系統(tǒng)以虛擬儀器技術(shù)為主要手段，來提升由北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的WCT、WCR、WRT等系列熱分析儀器，利用先進(jìn)的計算機技術(shù)來改進(jìn)發(fā)展原有儀器系統(tǒng)，通過多次實驗證明，在操作方便、界面友好以及分析準(zhǔn)確性等各方面比一般熱分析系統(tǒng)要好。實現(xiàn)了測試準(zhǔn)確可靠、簡化操作、方便維護、成本低廉的先進(jìn)儀器。通過在虛擬儀器環(huán)境下實現(xiàn)智能測試分析方法的集成，降低了儀器系統(tǒng)功能變更和功能擴展的難度和費用，縮短了開發(fā)周期，為儀器測試、分析和控制的快速實現(xiàn)和升級提供了條件。
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