CN115372408A - 一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统及方法 - Google Patents

一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统及方法，涉及热物理性质测试技术领域，解决了现有3ω测试系统成本较高的技术问题，其技术方案要点是用惠斯通电桥原理平衡1倍频电压，测量3倍频电压；用数据采集卡和功率放大电路实现交流电压源功能；用数据采集卡及LabVIEW软件编程实现锁相放大器功能；通过LabVIEW软件实现了自动化测量，降低了实验人员的专业要求，并将传统实验室中用昂贵进口仪器搭建的3ω试验台集成起来，使测试系统轻量化、便携化、低成本化。

Description

一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统及方法
技术领域
本申请涉及热物理性质测试技术领域，具体涉及仪器仪表，尤其涉及一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统及方法。
背景技术
现有的测量材料的热物理性质的方法，主要包括传统的cut-bar方法、时域反射法(time domain thermal reflectance，TDTR)、电信号测量方法等。其中cut-bar法成本低，但无法测微尺度薄膜材料，只能测体态材料，在微尺度设计领域无法使用；光学TDTR法，可测量体态和二维材料，测试过程简单，但搭建成本极其昂贵。一个传统的TDTR试验台所需要的晶体激光发射器耗资在百万人民币以上，且其中的光路调节部分对操作人员专业要求度极高；3ω测量方法是一种用电信号测量材料热物理性质的测量方法，样品制备难度低，可测量体态、薄膜及生物组织样品热物理性质，但整个试验台的搭建成本依然很高。以上测试方法多存在于高校实验室和尖端科技企业的研发部门中，需要使用昂贵的进口仪器进行搭建，在一些国内敏感行业，如芯片测试、军用航空等领域，此类试验台未来将面临无法使用的风险。此外，在工程实践中，上述仪器不仅价格过高而且性能过剩，且需要专业人员操作，不利于工程成本的控制。
发明内容
本申请提供了一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统及方法，其技术目的是使3ω测试系统轻量化、便携化和低成本化。
本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统，包括信号处理模块、数据采集卡、功率放大器、惠斯通电桥和差分放大器；所述信号处理模块与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡的模拟输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述惠斯通电桥的电压源端连接，所述惠斯通电桥的电压输出端与所述差分放大器的输入端连接，所述差分放大器的输出端与所述数据采集卡的模拟输入端连接；
所述信号处理模块对所述数据采集卡中的模拟输入电压信号进行采集或对数据采集卡的模拟输出电压信号的波形进行设置以生成正弦电压。
传统3ω试验台主要由电流源、加热器、样品放置台和锁相放大器组成。本申请采用数据采集卡和功率放大器代替电压源与锁相放大器，利用惠斯通电桥原理平衡1倍频电压，减小背景噪声，提高信噪比。
本申请的数据采集卡，其主要功能为模拟输出功能与输入功能，并与LabVIEW软件的信号处理模块代替锁相放大器。
本申请的功率放大器，其主要功能为放大输入端电压信号的功率，输出功率更大的电压信号，使其具有驱动加热器的能力。
本申请的差分放大器，其主要功能为提供共模抑制比，避免共模信号被过分放大。
使用数据采集卡模拟输出功能后，串联功率放大电路，代替交流电压源；输出电压接入惠斯通电桥电压源端，调整电桥电阻使电桥平衡，电桥电压经过差分放大器由双端信号转换为单端信号，并提供共模抑制比，使用数据采集卡模拟输入功能读取差分放大器输出电压信号，在个人电脑中使用LabVIEW软件的信号处理模块代替锁相放大器。
一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试方法，该方法上述的3ω测试系统实现，包括：
S1：信号处理模块对数据采集卡的模拟输出电压信号的波形进行设置，生成正弦交流电压；
S2：功率放大器对所述正弦交流电压的功率进行放大，得到放大电压；
S3：将所述放大电压输入到惠斯通电桥的电压源端，通过惠斯通电桥得到电桥电压；
S4：差分放大器将所述电桥电压由双端电压转换为单端电压，将所述单端电压输入到所述数据采集卡的模拟输入端；
S5：所述信号处理模块对所述数据采集卡的模拟输入端的模拟输入电压信号进行采集，生成与所述模拟输出电压信号相位相同、有效值为1V的正弦电压信号作为参考信号，将模拟输入电压信号和参考信号经过波形乘法、数字滤波器的处理，得到3倍频信号电压有效值及相位，从而得到3倍频信号电压实部有效值；
S6：对所述模拟输出电压信号的频率进行变换，重复步骤S1至S5，得到3倍频信号电压实部有效值V3ω,rms,X与交流电压频率f的图像，根据该图像计算样品热物理性质。
本申请的有益效果在于：与传统3ω试验台对比，本申请使用数据采集卡与功率放大电路代替了高成本的交流电压源；使用数据采集卡与个人电脑代替了高成本的锁相放大器，极大地降低了3ω测试方法的测量成本，实现测试系统的轻量化、便携化；同时使用LabVIEW软件实现自动化测量，解放了劳动力，降低了实验测试人员的专业要求。最终得到的测量结果与传统3ω方法相比，在T＝299K温度下测量常见材料二氧化硅的热导率差异在8.3％以内，硅的热导率差异在4.0％以内。
附图说明
图1为本申请所述自动化3ω测试系统的结构示意图；
图2为OPA452功率放大器的电路图；
图3为T＝299K时二氧化硅样品加热器温升与频率关系示意图；
图4为T＝299K时硅样品加热器温升与频率关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
如图1所示，本申请所述的基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统包括信号处理模块、数据采集卡、功率放大器、惠斯通电桥和差分放大器；所述信号处理模块与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡的模拟输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述惠斯通电桥的电压源端连接，所述惠斯通电桥的电压输出端与所述差分放大器的输入端连接，所述差分放大器的输出端与所述数据采集卡的模拟输入端连接。
所述信号处理模块对所述数据采集卡中的模拟输入电压信号进行采集或对数据采集卡的模拟输出电压信号的波形进行设置以生成正弦电压。
本申请主要使用的编程软件为LabVIEW软件，信号处理模块通过LabVIEW软件生成正弦电压。
首先实现电压输出，由LabVIEW软件生成想要输出的电压波形，然后通过数据采集卡驱动程序中配置及控制数据采集卡的控件设置数据采集卡模拟输出，使其输出生成的电压波形。将输出的电压波形接入功率放大器的功率放大电路输入端，经过功率放大电路后，电压增益为-RF/RG，功率被放大，最大输出电流可达50mA。将功率放大后的电压源接在惠斯通电桥的电压源端。如图1中所示，R1、R2均为固定阻值、低温度系数的电阻，R3为低温度系数的可调电阻，Rx为样品加热器电阻，且Rx＝Rx0+ΔR，Rx0是样品加热器的初始电阻值，ΔR是样品加热器随温度改变的电阻值，调整电桥使R1/Rx0＝R2/R3，测量电桥电压时，1倍频电压被平衡，电桥3倍频电压与样品加热器3倍频电压关系如式(1)所示：
Figure BDA0003786479940000031
其中，UL,3ω,rms表示电桥3倍频电压有效值，V3ω,rms表示样品加热器3倍频电压有效值。
电桥电压经过差分放大器，设置增益G＝1，电桥电压由双端电压转换为单端电压，并在DC～10kHz频段提供110dB的共模抑制比。然后将差分放大器输出电压接至数据采集卡的模拟输入端。
使用LabVIEW软件的NI-DAQmax控件设置数据采集卡的模拟输入。设置开始触发，使模拟输出与模拟输入开始时刻相同，保证输入信号与输出信号的相位关系固定，由此确定3倍频信号的有效值与相位。读取模拟输入端的波形，根据输入信号波形，生成对应的3倍频参考信号与移项90°后的3倍频参考信号，分别与输入信号相乘，实现相敏检测器功能。将处理过后的信号输入数字低通滤波器，滤除高频噪声信号，得到带有输入信号有效值及相位信息的直流信号，将该直流信号进行数学处理，计算出3倍频信号的有效值及相位，从而得到3倍频信号电压实部有效值。
改变数据采集卡模拟输出信号的频率，多次测量3倍频信号，绘制3倍频信号电压实部有效值V3ω,rms,X与频率f的关系图。取合适的频率段使用对数拟合3倍频信号电压实部有效值与频率的关系曲线，得到斜率；再根据3ω方法计算热导率的公式，计算出所测量样品的热导率。
根据所用器件，给出线路设计及程序编写的指导方法，具体如下：
在功率放大电路中，如图2所示，功率放大器的电压增益通常设置为1，调整输出电压直接在LabVIEW中设置数据采集卡的模拟输出波形。
电桥R1、R2阻值的选择应考虑到如式(1)中电桥3倍频修正系数R1/(R1+Rx0)以及实验设计样品加热器功率。修正系数过小，则测量的电桥3倍频电压比样品加热器3倍频电压小得多，会导致信号电压小于数据采集卡模拟输入电压的精确度，导致误差增大。对于其他条件固定的情况，使R1＝Rx0时，样品加热器得到的功率最大，此时惠斯通电桥的修正系数为1/2，电桥3倍频电压相对样品加热器3倍频电压缩小1/2，不会导致信号电压过小。故R1、R2应取接近Rx0的电阻值。
差分放大器设置增益G＝1，使其只提供共模抑制比作用，不提供放大作用。
在数字锁相放大器中，所设置的数字低通滤波器的截止频率应根据信号频率的减小而减小，用来滤除低信号频率附近的小频率噪声信号。但截止频率不宜设置得太低，因为参考信号频率与输入信号频率通常难以设置成完全相同的频率，导致经过数字相敏检测器后信号不为理想的直流信号，通常是0.001Hz量级的小频率信号。如果低通滤波器截止频率设置得太小，会将有用的信号部分滤除，产生较大误差。其次，小的低通滤波器截止频率时间常数大，等待信号稳定的时间长，测量的效率不高。
在得到3倍频信号电压实部有效值与频率的关系曲线后，需要确定计算对数拟合曲线系数的频率范围，频率范围与样品热导率、样品厚度及加热器线宽有关，需要估算热渗透深度，使热渗透深度远大于加热器半宽且小于样品厚度，确定出合适的频率范围，通常，热导率小的样品需要小的测量频率，热导率大的样品需要大的测量频率。
本申请测试系统的频率范围受到所选用的模拟输出与模拟输入采样率的限制，根据奈奎斯特采样定律，本测试系统测量频率范围为0Hz～41.66kHz。
对上述内容通过具体实施例进行说明，包括：
实施例1：
以测试边长约1cm、厚度约1mm的二氧化硅样品为例。加热器宽60μm，加热器总长3474μm，电阻为63.6Ω，室温下加热器温度系数为1.5×10-3。使用USB-6218数据采集卡模拟输出端输出幅值为1.64V、相位为180°的正弦交流电。经过功率放大电路，功率放大电路中RF＝RG＝5kΩ，电压增益为-1，输出幅值为1.64V，相位为0°的正弦交流电。将该交流电压接入惠斯通电桥电压源端，R1＝R2＝50Ω，调整R3使电桥平衡，最终流经样品加热器电流有效值为10mA，将电桥电压段经过G＝1的差分放大器，输出电压接入数据采集卡模拟输入端，经数字锁相放大器处理，得到3倍频信号与频率的关系曲线，取频率范围为1Hz～2.5Hz，使用对数拟合得到dV3ω/d(ln f)，最终计算得T＝299K温度下硅的热导率为1.18W/(m·K)。与传统3ω方法测得硅的热导率1.09W/(m·K)比较，差异为8.3％，如图3所示。
实施例2：
以测试边长约1cm、厚度约430μm的硅样品为例。加热器宽50μm，加热器总长4578μm，电阻为127.0Ω，室温下加热器温度系数为1.5×10-3。使用USB-6218数据采集卡模拟输出端输出幅值为2.77V、相位为180°的正弦交流电。经过功率放大电路，功率放大电路中RF＝RG＝5kΩ，电压增益为-1，输出幅值为2.77V，相位为0°的正弦交流电。将该交流电压接入惠斯通电桥电压源端，R1＝R2＝50Ω，调整R3使电桥平衡，最终流经样品加热器电流有效值为20mA，将电桥电压段经过G＝1的差分放大器，输出电压接入数据采集卡模拟输入端，经数字锁相放大器处理，得到3倍频信号与频率的关系曲线，取频率范围为60Hz～300Hz，使用对数拟合得到dV3ω/d(ln f)，最终计算得T＝299K温度下硅的热导率为128.8W/(m·K)。与传统3ω方法测得硅的热导率134.2W/(m·K)比较，差异为4.0％，如图4所示。
以上为本申请示范性实施例，本申请的保护范围由权利要求书及其等效物限定。

Claims (6)

1.一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试系统，其特征在于，包括信号处理模块、数据采集卡、功率放大器、惠斯通电桥和差分放大器；所述信号处理模块与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡的模拟输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述惠斯通电桥的电压源端连接，所述惠斯通电桥的电压输出端与所述差分放大器的输入端连接，所述差分放大器的输出端与所述数据采集卡的模拟输入端连接；
所述信号处理模块对所述数据采集卡中的模拟输入电压信号进行采集或对数据采集卡的模拟输出电压信号的波形进行设置以生成正弦电压。
2.如权利要求1所述的自动化3ω测试系统，其特征在于，所述惠斯通电桥包括2个低温度系数且阻值固定的电阻R1和R2、低温度系数的可调电阻R3和样品加热器电阻Rx，且R1/Rx0＝R2/R3；其中，Rx＝Rx0+ΔR，Rx0表示样品加热器的初始电阻值，ΔR表示样品加热器随温度改变的电阻值；惠斯通电桥3倍频电压与样品加热器3倍频电压的关系表示为：
Figure FDA0003786479930000011
其中，UL，3ω，rms表示惠斯通电桥3倍频电压有效值，V3ω，rms表示样品加热器3倍频电压有效值。
3.如权利要求1所述的自动化3ω测试系统，其特征在于，所述信号处理模块通过LabVIEW软件生成正弦电压。
4.如权利要求1所述的自动化3ω测试系统，其特征在于，所述功率放大器为OPA452功率放大器。
5.如权利要求1所述的自动化3ω测试系统，其特征在于，所述功率放大器和所述差分放大器的增益均为1。
6.一种基于电桥与数据采集卡的自动化3ω测试方法，该方法通过权利要求1-5任一所述的3ω测试系统实现，其特征在于，包括：
S1：信号处理模块对数据采集卡的模拟输出电压信号的波形进行设置，生成正弦交流电压；
S2：功率放大器对所述正弦交流电压的功率进行放大，得到放大电压；
S3：将所述放大电压输入到惠斯通电桥的电压源端，通过惠斯通电桥得到电桥电压；
S4：差分放大器将所述电桥电压由双端电压转换为单端电压，将所述单端电压输入到所述数据采集卡的模拟输入端；
S5：所述信号处理模块对所述数据采集卡的模拟输入端的模拟输入电压信号进行采集，生成与所述模拟输出电压信号相位相同、有效值为1V的正弦电压信号作为参考信号，将模拟输入电压信号和参考信号经过波形乘法、数字滤波器的处理，得到3倍频信号电压有效值及相位，从而得到3倍频信号电压实部有效值；
S6：对所述模拟输出电压信号的频率进行变换，重复步骤S1至S5，得到3倍频信号电压实部有效值V3ω，rms，X与交流电压频率f的图像，根据该图像计算样品热物理性质。
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