哈工大材料物理性能课程论文

电阻法测相变点动态测试电阻设备的研究

摘要：形状记忆合金相变点的测定方法常用的有变温X射线法、热分析法、膨胀法和电阻法。电阻法由于精度高，电路也比较简单，测量过程对试样的影响小，速度快，所以被广泛采用。本文对用电阻法测量形变点动态电阻的设备进行了详细深入的研究，从测量系统的总体设计，测量系统的设计原理及其硬件电路设计三个方面进行探讨，比较了不同设计方案的优缺点，并对最终选用的测试电阻设备进行了改进和评估。

关键词：形状记忆合金，电阻法，测量设备设计与改进

形状记忆合金( Shape Memory Alloys，SMA )因为其记忆效应和超弹性，正得到日益广泛的应用。形状记忆合金相变点的测定方法常用的有变温X射线法、热分析法、膨胀法和电阻法。[1]根据电阻法所测得的曲线在相变点处电阻发生非常明显的变化，比较容易测出相变点。由于电阻法精度高，电路也比较简单，测量过程对试样的影响小，速度快，其中以微机为核心的形状记忆合金相变点测试系统，更提高了电阻法测量形状记忆合金相变点的精度、灵敏度和稳定性,所以被广泛采用。

形状记忆合金相变时,会引起一些物理性能变化,其中包括电阻率的变化。即:马氏体转变时电阻率与其母相的电阻率不同,其电阻率会随温度的变化而变化。因此可以通过形状记忆合金相变时其电阻与温度的关系确定其相变点。电阻法测形状记忆合金相变点一般采用X-Y函数记录仪法,该方法是用温度信号驱动X轴,用电阻信号驱动Y轴,这样在一个温度循环过程中便会画出一条温度-电阻曲线, 形状记忆合金相变温度主要包括，

As：加热时马氏体逆转变的开始温度；Af：马氏体逆转变的终了温度；

Ms：冷却时马氏体转变的开始温度；Mf：马氏体转变的终了温度。[1]

根据曲线的特征人工找出Ms、Mf、As、Af及滞后宽度。但这种方法找特征点时存在读数误差,存储和查询不方便,没有数据处理的功能。微机测试系统则克服了以上缺点,能精确地绘制出相变的温度-电阻曲线、温度-时间曲线、电阻-时间曲线,自动找出Ms、Mf、As、Af及滞后宽度,有效地降低了人为因素的影响。并且精度高、数据处理快、查询方便。

一． 电阻法测量形状记忆合金相变点的总体设计

合金的电阻率与其组织状态有关，是组织敏感参量。[2]对于形状记忆合金，表现为马氏体和奥氏体的电阻率不同。以电阻法测得 Ti-Ni 合金进行马氏体相变及其逆相变时的相变临界温度，如图1所示，当进行逆马氏体相变时，合金电阻率下降；而降温进行正马氏体相变时，合金电阻率急剧上升，由此可以方便确定形状记忆合金的相变温度。电阻测试法采用标准四探针法进行测量，由于所需设备较简单，研究者们多采用自制的测量仪，一般选择直流式双电桥或恒流式电路的方法，图2所示即为恒流式电路所用的仪器装置及线路，该系统分两路同时采集信号，一路是采集试样在加热或冷却过程中端电压变化的信号，另一路则由测温仪表采集试样的温度信号，一并送入数据记录及处理系统，由于是恒流，所以电压信号可直接表征电阻的变化。电阻法对试样的尺寸加工精度要求不高，一般可直接从拉伸试样上截取。

图1 电阻法测量TiNi合金相变曲线 图2 四点式直流电阻法电路原理图

1.1总体结构与工作原理

图3 相变点测量系统总体结构

形状记忆合金相变点测量系统总体结构如图3所示：主要包括四个部分，基于四探针法基本原理的试样架，系统主回路与信号采集处理电路，数据处理软件系统。由交流电源、调压器、变压器和试样架组成系统主回路，通过调节调压器获得一个合适大小的交流电压源，电压源接通时，通过信号处理电路来采集回路电流和试样电压端的电压。信号处理模块主要由信号放大，滤波和交流转化为直流电路组成。回路中穿入电流互感器来计算出回路电流，并转换为电压，再和试样两端电压一起由交流转化为直流电压，送往 PCI-7483 采集板经过A/D转换再送往计算机后，由软件进行处理，计算出电阻值。并用热电偶实时跟踪温度值，采用热电阻进行环境温度补偿，从而可以从电阻-温度曲线上定出相变点。本方案研制的形状记忆合金相变点测试系统分四路同时采集信号，前两路是采集试样在加热或冷却过程中电压及电流变化的信号，另两路则是由传感器采集试样的温度信号，一并经处理后送入采集卡。利用采集卡中的模拟比较器和定时器将输入的两路信号转变成 AD 值，再分别拟合成电阻值和温度值。由于本温度监测仪采用了高分辨率的 A/D 转换器和高精度放大电路，可实现高精度的温度测量，测量误差在 1℃以下。测温范围较广，可实现高低温测量。

二． 测量系统的设计

2.1电阻测量的原理

2.1.1普通四探针法

四探针测试仪可以测量各种半导体材料的轴向电阻率。仪器由主机、测试架等组成，测试结果由表头直接显示。主机主要由高灵敏度直流数字电压表和高稳定恒流源组成。按照四个探针的位置，四探针法可分为直线四探针法和方形四探针法(矩形四探针法)。[3]微区和微样品薄层电阻的测量多采用矩形四探针法，因为矩形四探针法具有测量较小微区的优点。由于探针排列的方式不同，被测样品的电阻率 ρ 与电流、电压及探针间距关系的数学表达式也不同，目前国内微电子工业中多采用直线阵列等间距四探针作为监控薄层掺杂浓度的手段，如图4，当 1、2、3、4 根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在1、4 两处探针间通过电流 I，则 2、3 探针间产生电位差 V。材料的电阻率ρ＝（V/I）·C。式中 C 为探针系数，由探针几何位置决定。

图4 四探针法测电阻原理简图

四探针测试探头为直径 0.5mm 的碳化钨，探针间距为 1mm。恒流源产生一个高稳定度恒定直流电流，其量程分别为 10 μA、100 μA、1 mA、10 mA、100 mA 五档电流值，均连续可调。直流电压放大器将直流电压信号放大，再经过 A/D 变换器将模拟量变换为数字量，经由计数器、单位、小数点自动转换电路显示出测量结果。该测试仪的工作温度为：23℃±2℃。

首先，四探针测试仪主要用来测量半导体的电阻率，其电阻率一般较大，测试仪可测的电阻大小一般在 0.001Ω·cm 以上,而一般记忆合金的电阻率很小，一方面探头间距 1mm，由于电阻与长度成正比，测得的电压信号很小，不利于观察记录，相对误差增大。另一方面，从上述数据可以看出，普通测试仪的电流输入很小，由于本身试样电阻率很低，这就也导致电压信号过小。另外，四探针法测量仪，其焊点一般采用锡焊，锡在低温下容易变脆，接触不良，直接导致测得数据不准或测不出数据。这也正是上面提到测量仪工作电压限制的一个原因。而且，四探针法测量仪由于自身装置限制，没有也无法安装测温设备，测试架本身亦有工作温度限制，无法测量温度变化环境下材料的电阻。为了解决上述问题，需要专门订做试样架，以修正传统四探针法针对本应用的不足之处。

这种方法在标定电阻值时存在两个缺点:1)当电阻变化时电流也发生变化,试样电压端的电压和电阻不成比例,故存在系统误差,但是测定相变点和滞后宽度所允许的误差很小,为克服这个缺点,必须采用较为贵重的恒流源;2)即使试样未发生相变,电压端也产生较高的电压,因而降低了相变点的分辨力。为此我们可以将转换电路改进成电桥方式。[3]

2.1.2电桥法

图5 电桥法测量电阻原理图

图5中,R1、R2、R3的电阻值和试样的电阻值相当(试样的电阻值通过双电桥测得),采用这种方法可以避免恒压式电路测电阻的缺点,大大提高相变点的测量精度,同时也避免了使用较为贵重的恒流源。[3]

2.2 试样架机制

2.2.1试样架总体结构

用于安装四端电阻的试样架通常由试验人员自行设计。目的在于降低检测器材带来的误差，尤其是由于导线、连接点带来的误差影响。本文设计中，作者通过“电流段加粗导线，电压段加细导线”的方法实现上述要求。主要通过以下机制实现。试样架的示意图与实物图如图 6所示：

图6 试样架设计图及实物图

1.底座 2.电流端固定柱 3.顶针外套 4.顶针主轴 5.顶针固定螺母

示意图均采用 AutoCAD 软件绘制。如图 6，试样架主要由以下几部分组成：

图7 底座设计图和实物图

底座采用绝缘材料环氧树脂制作，如图7所示。

本设计中，底座采用了 T 型槽机制。该机制能有效实现固定功能，同时，T 型通槽可以大大减小被测样品的长度，最小长度只有 34mm。降低了制样要求。

2.2.2电流端固定柱电流端固定柱的设计要求

(1) 导电性好；(2) 固定柱牢固性能要高；(3) 与被测试样品接触面积大；(4) 易于拆卸、组装。基于以上要求，本文设计的固定柱材料采用黄铜(H68)，采用 L型固定机制，通过螺母固定，在 T 型槽中可以自由滑动。其设计图和实物图，如图8所示，

图8 电流端固定柱设计图和实物图

固定柱上端铺一层纯铜导电带，加大固定柱与样品的接触面积。通过螺母和弹簧加紧待测样品。

2.2.3顶针装置

顶针装置用来引出待测电压信号，是本设计的重要内容。参照四探针法测电阻中对顶针的要求，及本产品的特殊要求，顶针装置的设计要达到以下目标：

(1) 与被测样品接触良好，力求无缝；

(2) 防止样品在测试过程中发生形变，影响测试结果；

(3) 顶针的导电性好；

(4) 固定性好；

(5) 便于拆卸与组装。

基于以上要求，本设计的电压端采用探针形式，探针材料采用纯银制成。银针通过特制的装置固定。通过以下三种设计实现。其设计图与实物图如图9所示：

图9 顶针装置设计图

a. 顶针外套 b.顶针固定螺母 c.顶针主轴

如上图所示，组成顶针装置的零件为顶针外壳套(以下简称“外壳”)、顶针固定螺母(以下简称“螺母 G”)及顶针主轴(以下简称“主轴”)。其中，外壳中间铣空，主轴和螺母 G 装在外壳内腔中；螺母 G 外表攻出螺纹，内部中空，实现固定主轴的功能；主轴上端套上弹簧，通过螺母的卡位，使主轴上端较细部分穿过外壳顶部的通孔，用于安装探针卡座。通过这种机制，保证在试样形变情况下测试结果的准确。

以上零件组装完成后，接上导线就能用于测试。实物图如图9所示。同时，本设计还充分考虑了该产品的外展功能。列举如下：

(1) 底座设计了三个螺孔，可用于安装温度传感器等设备。这样，给试样架可以被应用于以电阻、电阻率及温度为相关参数的物理量的测试，如合金相变点等；

(2) 固定柱的设计中，特意在地板上攻出 8mm 的螺孔，用于安装较粗的导电条(如铜条等)，用于大电流环境下的相关测试；

(3) 顶针外壳的设计中，考虑到了进行电阻率测量时对试样长度的要求。在保证固定功能的前提下，沿着外壳的圆柱外表面割去一段圆弧。该机制不仅缩小了两电压端的最小距离，而且实现了两电压端之间的距离测量成为可能。

(4) 该装置可以和计算机相连接，进行相关测试；同时，由于所选用材料的特殊性，试样架的温度适应性非常高，可用于材料温度允许范围内的高低温测试(温度范围：-200℃-100℃)。

2.3试样架特点及创新性叙述

2.3.1基于特殊功能的特殊机制的设计

(1) 防动机制。

设计过程中我们充分考虑到了棒型的测试样品易滚动性造成的测试误差，在试样架加入了防滚动机制。所谓防滚动机制，其实就是在试样架的电流端固定柱上端增加了两片导电带，该机制不仅可以增加固定柱与样品的接触面积，还可以有效地防止圆柱状样品滚动。

(2) 手动调节松紧度机制。

在导电带的上方，通过弹簧的弹力作用卡牢样品。设计过程中，还考虑到了拆装样品时需要借助工具的繁琐性。设计中，采用方便直接操作的羊角螺母代替普通螺母来实现调节松紧度的作用。这样，不管实验过程中是否需要调节对样品的松紧度，还是更换样品，都可以直接手调，而不再借助相应的工具。

(3) 防形变机制。

弹簧防形变机制，是本设计的又一创新点。值得一提的是，这一亮点并不是一开始就出现在设计中的，而是在实验中发现问题后，在原设计基础上改进的。实验过程中，我们发现，当样品温度达到 300℃已上时，样品开始发生形变，特别是电压端两接线柱之间的样品形变严重影响了测试结果。为了解决这个问题，设计在电压端的两接线柱上加了弹簧，通过弹簧的弹力绷紧样品，保证实验过程中样品在两电压端接线柱之间不发生变形。这样，电流固定柱的防滚动机制和电压端的防形变机制形成了一种机制互补，有效提高了测量的准确性。

2.3.2试样架的温度适应性好

以往的测试装置均采用锡焊的方法进行固定连接，这种方法在室温的测试环境中效果良好，但在高温或低温环境中，由于焊锡易溶化脆化，从而影响测量结果。考虑到这个问题，本设计从两方面入手予以解决：

(1) 试样架结构采用导电性好、韧性硬度适中、热稳定性高的黄铜(H68)作为主材料；

(2) 试样架通体采用螺丝等标准件连接，根本上杜绝了焊锡脆化溶化对实验结果造成的影响。

2.3.3降低样品的外形限制

各种测试方法的测试过程中，对测试样品的制样要求往往是为了防止样品本身的成份不纯，有氧化层等会造成的测试结果不准确，但样品的形状限制通常是测试仪器的要求。就电阻(率)的测试而言，四探针法测电阻的制样要求和外形限制最高。本设计中，底座采用的是 T 型槽结构，四个接触点可以随意滑动。另外，试样架的电流端采用了银针这种特殊的装置，不仅大大减小了接触面积，而且实现了试样架与样品的无缝接触。

如图10所示试样架，在 2，3 探针部分加入弹簧。随着温度的变化，试样会发生一定程度的形变，收缩是一种可能，如果试样发生收缩，2，3 顶针与试样就可能接触不良，致测量不准，弹簧的使用避免了这种情况。同样道理，在 1，4 探针上也加入了铜网，来增加弹性，保证试样的固定良好。

图10 顶针-试样接触放大图

1，4 针接在试样的两端，而 2，3 针顶在试样中部均匀的地方进行电压采集。这是因为在导线与试样接触的附近区域内（A，B 点附近阴影面积），电流的分布是不均匀的。如果把 2，3 探针放在 A，B 位置，很可能测量不准确，或者直接测不到数据。只有在试样中部位置，电流的分布才较为均匀。同时，试样架的 2，3 针之间的距离可调整，避免了普通测试仪电压信号过小的缺点。

2.4由温度-电阻曲线确定相变点的方法

由温度-电阻曲线确定相变点时一般采用以下两种方法：

(1) 切线法，由于信号难免会产生波动，可能会出现一个明显不合理的值被当作相变温度，此法人为误差较大，实验中较少使用此法。

(2) 曲率法，在曲线上曲率最大的点为相变点，从使用角度考虑，此法所测的相变点更有实际意义。本实验结果也说明后者所测相变点的数据重现性明显好于前者，故在此采用曲率法确定相变点。曲线的曲率按下式计算：

M = Y ''/(1 + Y'² ) ³／²[4]

其中：Y″为曲线的二阶导，Y′为曲线的一阶导数。在二阶导数上没有加绝对值，因为测量的曲线呈 S 型，每一段曲线的相变温度刚好是曲线上 M 值最大值(Ms 和As)和最小值(Mf和A f)，每一段曲线上也只有一个最大和最小点。As 和 Ms 的差即为滞后宽度。

三． 硬件电路设计

3.1硬件电路设计概述

智能仪器系统硬件体系结构的选择，主要是根据应用系统的规模大小、控制功能性质及复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。

根据系统规模及可靠性要求考虑，本温度测量仪系统硬件组成主要有：TDGC 型调压器、LMZJ1-0.5 电流互感器、K 型热电偶传感器、交流转直流转换器 AD536、高精度放大器 INA128、Pt1000 热电阻、PCI-7483 AD/DA 转化板。[5]

3.2硬件电路整体设计思路

电阻法测定形状记忆合金相变点时，电阻电压的转换电路通常采用直流恒压式电路(如图11) ，将被测试样做成四端电阻的形式，其中 V 为直流稳压源。用试样电压端的电压驱动 X-Y 函数记录仪的 Y 轴，记录出电阻-温度曲线。这种方法在实际应用时存在两个缺点：

图11 恒压式电路

(1) 稳压源所提供的电压无法调节，一般为 5/12V，由于待测试样随着材料种类不同，其电阻大小大相径庭，测量过程中相变点发生时电阻大小相对变化亦很大。待测回路电流变化范围太大，极有可能超出计算机可处理范围，可能电流太大，导致试样升温过高，影响测量结果。若电流过小，测量相对误差增大，不可忽略。

(2) 回路电流难以测量，因电流不能直接转换为数字量，虽然也可以串联一个已知阻值的电阻，测量其两端的电压，但一来电阻的阻值会随温度而变化，影响测量精度，二来降低了测量结果的线性度。

综上所述，本课题的主回路采用交流供电，取代传统的直流电压，即可以避免以上缺点，可以直接采用 220V 交流供电。

3.3可调恒压主回路设计

其设计思路如下：220V 三相交流电压通过 TDGC 稳压调压器得到稳定的大小可设定的交流电压，其变化范围在 0-220V 之间，再通过变压器放大(缩小)，即可得到稳定的大小可调的恒压源。

3.3.1调压器选择

调压器又称电压调整器，它是一类可以在较大范围内平滑无级地调节负载电压的交流电器，被广泛地应用于各种需要连续调节电压的场合。调压器的形式可分成单相、三相，干式和油浸式，主要是按结构分类。常见的调压器有变压器型和电机型两种。变压器型有接触调压器、移圈调压器和磁性调压器三种，电机型有感应调压器。

3.3.2 TDGC 调压器接线

调压器的接线方式较为简单，左侧两个输入端引线接 220V电源，右侧输出端接变压器，即可得到按比例调整后的电压，当手动调节旋钮时，其输出电压幅度较大，不易控制，故在其输出端接一变压器进行降压，降压比为 15/1。[5]

3.3.3 主回路电流测量

电流的测量方法很多，通常情况下有两种测量电流的方法，即直接式测量和间接式测量。直接式测量通过电流传感器转换为电压，一般通过串入采样电阻实现，根据 J=U/R，只要检测电流传感器两端的电压 U，知道 R 就可以计算出电流。这种方法由于简单，成本低，在一般的测量电路中被广泛应用。间接式测量利用零磁通原理，一般通过检测电流产生的磁场得到，根据霍尔效应，实现电场磁场的转换，最终还是要根据 I=U/R 来计算。采用电流传感器直接测量比较简洁，成本较低，但是电流传感器(分流器类型传感器除外)能承受的电流幅度却有限，所以此类方法检测电流能力较小，极限为数十安培；对于本课题来说，其电流测量范围足可以满足要求了。

3.3.4 电流互感器的原理及选型

电流互感器的原理是根据电磁感应原理而制造的。如图12所示，电流互感器由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流(I1)通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流(I2)；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路。

图12 电流互感器原理图

电流互感器的正确使用极其重要。电流互感器的选择、接线错误或使用不当，会造成测量误差、电量损失以及保护的误动和拒动，甚至损坏电流互感器。一般情况下，电流互感器选型应着重考虑以下因素：

(1) 额定容量和功率因数的选择：根据电流互感器二次侧所接仪表和导线阻抗，选择电流互感器额定容量和功率因数。

(2) 额定电流的选择：一般为 5A．若被测电流的大小是变化的，则变化范围应在 10%-120%内，否则就要选用多变比电流互感器并相应改变电流比。

(3) 额定频率的选择：电流互感器的额定频率应与被测线路电流频率一致。

(4) 额定电压的选择：电流互感器的额定电压不能小于线路的额定电压，用于 380V 的互感器应选用的额定电压为 500V。

我们选用北京新创四方电子有限公司的 TA0913-1M 的穿心式微型电流互感器来测量回路电流，其主要参数为：额定输入电流 0-5A，额定输出电流0-5mA，额定采样电阻 150 Ω，非线性度<0.2%，绕匝比为 1000/1。

3.3.5 电流互感器接线

将电流互感器穿过主回路，两端接一采样电阻 R=150Ω，设回路电流为 I，电流互感器绕匝比为 1000/1，则其输出电压为 U=I×R÷1000，则 I=6.67U,在这里 U 为待送往计算机测量的量，一般回路电流 I 最大不应超过 3A。

3.4 温度信号的测量

3.4.1 温度信号测量方法

测量温度信号的方法主要有两种。第一种方法采用热电阻，热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度。热电阻通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以测量从-200℃ 至+500℃ 范围内表面的温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高。这种方法针对本应用的缺点有：

(1) 测量处为一个面；

(2) 对温度感应滞后性较大，不适于温度梯度大的环境测量。

第二种方法采用热电偶，热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均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 Seebeck 电动势-热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。不同的热电偶具有不同的分度表。这种方法的优点是：测量电路简单；测量端为一个点。缺点是测量精度不够高，而且需要进行热电阻参考端温度补偿。由于本实验所选用的试样很小，保温瓶的温度梯度很大，故在此选用热电偶来测量温度信号，参考端环境温度可以用热电阻补偿。

3.4.2 热电偶选择

当输入的非电参数发生变化时，传感器的输出信号表现为变化的电压信号、变化的电流或者变化的频率，其中除频率可以直接看成数字信号外，电压及电流都仍然都是变化的模拟信号。

热电偶是温度测量中应用最广泛的一种传感器，输出电压为毫伏。热电偶测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；测量范围广，一般通用热电偶可从－50℃～1,600℃进行连续测量；结构简单，使用方便。

本文介绍的温度监测仪选用镍铬-镍硅（K 型）热电偶。其优点是灵敏度高，每变化1℃，热电势变化 0.04mV，热电势比 S 型热电势大 4 倍左右，温度特性接近线性，复现性好，抗氧化性强。

3.4.3 热电偶冷端补偿方法

热电偶的热电动势与两端温度均有关，而分度表是在冷端温度为 0℃的条件下给出的。但在实际使用时，冷端常常靠近被测物，且受环境温度的影响，其温度无法保持 0℃，这样就产生了测量误差。所以必须采取相应的措施来进行补偿或修正，常用的方法有冷端恒温法、补偿电桥法等。[5]

(1) 冷端恒温法。在工业应用中，一般把冷端引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。在实验室及精密测量中，通常把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使冷端温度保持为0℃。

(2) 补偿电桥法。补偿电桥是一个直流不平衡电桥，其中 3 个电阻为固定电阻，另 1 个电阻 RCU为铜电阻，电桥与热电偶的连接如图13所示。设计时调整电桥参数使冷端温度为 0℃时电桥平衡，此时电桥输出电动势为 0；而当冷端温度变化时，电桥不平衡，输出电动势与热电偶输出热电动势之和与冷端温度为 0℃时热电偶输出的热电动势相等，此时能够实现完全补偿。

图13 补偿电桥法原理图

我们尝试采用特殊的温度补偿方式，进行实时环境温度测量，然后在软件上补偿热电偶冷端受到的环境温度的影响，大大简化了电路，提高了温度补偿的准确性。

3.5 信号处理模块设计

通常，小信号的测量是一个挑战，这些信号很容易被测量环境周围的噪音掩盖，从而对信号路径中的其他电子器件提出了苛刻要求。如果数据采集系统对精度的要求较高，必须减小有效信号的满量程范围，以提高检测系统的信噪比(SNR)。本文设计的最终 PCB 板在 A/D 转换之前，完成信号处理工作。

3.5.1信号放大电路设计

由于信号比较小，需要放大器将小信号放大到与 A/D 电路输入电压相匹配的电平，才能进行 A/D 转换。在前向测量通道电路中，放大器是很重要的部分之一，放大器的好坏将直接影响到采样数据的真实性和可靠性。为了保证在放大阶段不再次引入干扰，我们选用了 INA128 芯片。INA128 具备输入阻抗高、放大线性误差小等突出特点，正因如此，INA128 在精密仪器中获得广泛的应用。整个硬件电路的设计图采用 protel99se软件绘制。

如原理图14所示，在引脚 1 和 8 之间用一个独立的外部电阻 RG 可以获得电压增益为：G=1＋50 kΩ/RG。式中 50kΩ 为 INA128 内部的两个放大器反电阻之和，经过激光校正，具有很高的精度和很小的温度系数。输出电压以AGND 端为参考点，AGND 良好接地，保证放大器良好的共模抑制比。

RG 对增益精度和增益漂移的影响，可以直接推导出来高增益需要的低阻值，线路上增加的插座会使增益误差额外地增加 100 甚至更多，并且很可能是不稳定的误差。本文采用软件补偿拟合出精确的输入与输出关系曲线。

图14 INA128外围电路图

3.5.2 交流转换电路设计

计算机没有对交流信号进行转换的功能，如若将放大的信号直接送往计算机处理，计算机采样得到的将是交流信号的某个瞬时值，这显然与初衷不符，所以送往计算机前应先将交流信号转换为直流信号，也即测量交流信号的有效值。AD536A 是真有效值交流-直流转换器，AD536A 能计算复杂输入信号的有效值并且给出一个与之等效的直流输出电平，波形的有效值比平均值更有用，因为它和信号的能量有关系，而且随机信号的有效值与它的方差有关。AD536A 是美国 AD 公司推出的真有效值转直流的单块集成电路。可以直接计算输入的任何复杂波形(包括交、直流成分)的真有效值，由于采用峰值补偿措施，当峰值因子(一个信号的波形的峰值因子是它的峰值与有效值的比值)达到 7 的时候转换误差小于 1%。当信号电压大于 100 mV 时，这个电路的带宽使测量能力达到 300KHZ 仅有 3dB 的误差。如下表1给出了其各引脚说明：

表1 AD536芯片引脚功能表

其接口电路如图15所示：

图15 AD536外围电路

AD536A 的实际输出与理想输出之间有一个直流偏差和一些脉动成分。直流偏差依靠输入信号的频率和滤波电容 Cav的值。输出信号的交流成分是脉动成分。有两种方法减少脉动成分。第一种方法是用大电容 Cav，虽然减少了脉动成分，但相应增加输出的稳定时间。例如 Cav=1μF，C2=2.2μF。60 Hz 输入信号的脉动成分从的 10%减少到 0.3%。但是稳定时间增加了几乎 3s。一个更好的方法是在输出端加上一个滤波电路。这样在不增加稳定时间的情况下减少了脉动成分。

3.5.3 电源模块

INA128 和 AD536 均需要+12V 和-12V 双直流电源供电，我们采用武汉力源有限公司提供的小型开关稳压电源模块 PS0300AC 进行交流电压到直流电压的转换，它具有输出短路和过热保护功能，带隔离、动态输入电压范围宽，并且转化效率高，性能可靠，是理想的小功率电源选择。PS0300AC 的输入为220V 交流电，输出为 12V 直流电压。

3.5.4 热电阻模块

热电阻用来测量实时环境温度，作为热电偶冷端补偿。热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。本次实验采用Ptl000 铂电阻传感器。铂的材料电阻值对温度的变化几乎是线性，这种特性使得我们能够精确的依据事先定义的曲线计算待测物体的温度，并设计相应的电路；铂的阻值大，对温度的变化有很灵敏的反应；铂的特性稳定不会因为高低温而引起物理或化学变化；在温度为 600℃的条件下，电阻的变化< 0.02%，能满足于精密测温要求。

铂电阻测温系统电路结构图如图16所示，由一个电压负反馈放大电路组成，Vref是12V 参考电压，由稳压源提供，集成运放正极输入V+=Vref×R2/(R2+R1)， V-=Vout×R3/(R3+R4)

由虚短概念，V+= V-，可得R2=Vout×R3×R1/(Vref×R4)

可以看出，输出电压和热电阻大小成线性关系，大大方便了电阻测量，再利用热电阻分度表可算出实际温度值。由热电阻分度表知，热电阻大小在 100Ω左右时，则输出在 1V 左右，可直接对其采集。

图16 热电阻测温电路图

3.6 A/D 转换

数字系统的处理对象是数字信号，CPU 不能对模拟信号直接进行处理，因此在应用数字系统处理模拟信号时，必须先将模拟信号转换成数字信号，这就需要使用模拟/数字转换器(A/D 转换器)。[6]A/D 转换器的作用就是将在时域和幅度上都连续变化的模拟信号转变成在时域上离散，幅值上量化的等效数字信号。A/D 转换器一般由采样-保持电路、电压比较电路、数字逻辑电路组成。将一定范围的电压值(也代表 A/D 转换器的量程)进行量化(通常不进行等分，相同分辨率下等分的精度较低)，输入模拟量与比较器比较后，可以得到对应的数字量。随着数字技术的迅速发展，使得 16 位以上的高分辨率 A/D 转换器被大量使用。

四． 总结

本文提出和研究了一种形状记忆合金相变温度的测量方法，根据传统四探针法测量装置的不足，针对实际需求研制了一种新型测量试样架，是本文的独到之处，课题研究内容涉及 SMA 相变温度测试系统的软硬件设计以及抗干扰技术的运用等方面，还通过采用最小二乘法进行拟合，实现数据处理，最后利用此系统实际测试了 CuAlMn 合金的相变温度。测量结果达到预期目标。实际工作表明本测量系统具备了测量精度高，测量自动化，成本低，系统小巧等突出特点。

测量结果表明：

(1) 自制的试样架装置，其温度适应性好，能进行高低温测量；防形变装置，防止试样测量过程中变形；顶针装置保证与试样保持接触，并防止试样在实验过程中因氧化造成接触不良的影响；试样固定良好，特有的顶针装置，大大降低接触电阻带来的误差。

(2) 硬件设计方面主回路中采用交流供电，是本文的又一创新点，既提高了系统工作稳定性灵活性，也大大提高电流测量的方便度与精确度，而且不会对一次回路造成影响，还避免了使用昂贵的恒流源。用热电阻测温结合软件对热电偶进行冷端温度补偿，大大简化了测温电路设计，方便了电路的调试。

(3) 在软、硬件设计中，设计了一些实用的软硬件抗干扰措施和滤波算法，从而保证系统的可靠运行。并采用最小二乘法对数据进行分段拟合，明显提高了测量精度。

目前，本研究还处于样机的研制阶段，仪器仍有一定的不足，还有一些方面有待改进：

(1) 自动化方面，测量过程中需手工保持试样架在液氮中的温度梯度，而手工很难保证温度梯度的均匀，对热电偶的温度采集准确性产生一些影响，因此，自动化装置的研究势在必行。

(2) 在数据处理方面还可以进行深入探讨，如加强对算法的研究，使得系统的精度进一步提高，稳定性进一步加强。

(3) 系统输出信号均为 mV 级，信号采集难免出现偏差，采取更高精度的采集板是一种方法；干扰可能会淹没有用信号，应探讨更加周密有效的抗干扰措施。

(4)考虑将硬件系统改进为单片机为核心的处理电路，再通过串口与微机通信传送数据，可以使用分辨率更高的 A/D 转换芯片，代替较昂贵的采集卡，测量环境也得到拓宽。

参考文献：

[1] 甄睿.形状记忆合金相变温度的常用测量方法[J].南京工程学院学报，2006，4(1)：27-32.

[2] 徐京娟.金属物理性能分析[M].上海：上海科学技术出版社，1988：46-48.

[3] 姚绍宁，周汉义.应用微机测定形状记忆合金的相变点.计量技术，2002 No.4:19-22.

[4] 罗洪艳，牟波，廖彦剑，胡南，刘霞.形状记忆合金相变温度常用测量方法的比较研究[J].材料导报，2009，23(9)：57-59.

[5] 许劲松.形状记忆合金相变点测量系统研究.2010.

[6] 栾文洲，王媛，周其，段镇忠，冯日宝，姚永勋.电阻法测量镍钦锯形状记忆合金相变点的研究.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/9da51e2919e8b8f67c1cb9e3.html