CN106679842B - 一种采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路，基准电压源为铂电阻测温电桥供电的同时，通过表面贴合的数字测温传感器测量其温度传到FPGA芯片；铂电阻测温电桥将被测温度转化成电压变化，再依次经过滤波电路、运算放大器和A/D转换模块后输入FPGA芯片；FPGA芯片根据基准电压源的温度误差标定模型和铂电阻非线性标定模型，进行被测温度的误差补偿和计算，输出被测温度的数字量。本发明通过对基准电压的输出值进行误差补偿，在计算过程中保证基准电压尽可能准确，从而在很大程度上提高了测温精度。

Description

一种采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路。

背景技术

铂电阻以其测温范围宽、精度高、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等优点，在温度测量领域占有重要地位。为了减小引线电阻对铂电阻测温精度的影响，一般采用电桥电路设计。其原理为：使用基准电压源为电桥电路提供一个电压激励，电桥电路将该基准电压转换成随铂电阻阻值变化而变化的测量电压，通过采集、处理测量电压信号得到温度的测量值。其中，基准电压源输出的电压值会随外界温度变化而产生漂移，这一温度误差在高精度测温场合较为突出，在很大程度上影响了测温精度。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提出一种采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路，提高了测温精度。

本发明提供的一种采用基准电压补偿技术的测温方法，其改进之处在于，基准电压源为铂电阻测温电桥供电的同时，通过表面贴合的数字测温传感器测量其温度传到FPGA芯片；所述铂电阻测温电桥将被测温度转化成电压变化，再依次经过滤波电路、运算放大器和A/D转换模块后输入所述FPGA芯片；所述FPGA芯片根据基准电压源的温度误差标定模型和铂电阻非线性标定模型，进行所述被测温度的误差补偿和计算，输出所述被测温度的数字量。

优选的，建立所述基准电压源的温度误差标定模型的步骤包括：

(1)所述数字测温传感器贴合所述基准电压源，将所述基准电压源的表面温度传到所述FPGA芯片；

(2)所述基准电压源的输出电压经过所述运算放大器和所述A/D转换模块后传到所述FPGA芯片；

(3)调节所述基准电压源所在空间的温度，所述FPGA芯片锁存输出不同温度下所述基准电压源的表面温度和输出电压；

(4)根据步骤(3)得到的表面温度和输出电压值建模，确定所述基准电压源的输出电压与表面温度的函数。

较优选的，步骤(4)所述基准电压源的输出电压与表面温度的函数如下：

建立所述基准电压输出量V_REF与所述温度值T_V-REF之间的函数关系为：

V_REF＝V_REF0+f(T_V-REF) (1)

式中，V_REF为基准电压源的输出电压；V_REF0为基准电压源的理论输出电压；f(T_V-REF)为输出误差随温度变化的分段函数。

较优选的，所述分段函数f(T_V-REF)中分段点通过分析拟合残差确定。

较优选的，建立所述铂电阻非线性标定模型的步骤包括：

1)所述基准电压源为所述铂电阻测温电桥供电；

2)调节铂电阻所在空间的温度，使其与步骤(3)的温度变化同步，所述FPGA芯片锁存铂电阻在不同温度下的阻值数据并输出；

3)根据步骤2)中的温度和对应阻值数据建模，确定所述铂电阻阻值与温度的函数。

较优选的，进行所述被测温度的误差补偿和计算包括如下步骤：

I.根据公式(1)，计算基准电压源的输出电压V_REF的值；

II.计算所述铂电阻测温电桥的输出端点的电压V_T：

式中，β为进行测温方法时运算放大器的放大倍数；V_D为进行测温方法时FPGA芯片接收A/D转换模块输出的数字量；

III.计算铂电阻阻值R_T：

式中，R为定值的精密电阻；

V.计算被测温度的数字量T：

T＝g(R_T) (4)。

较优选的，将所述基准电压源所在空间和铂电阻所在空间分别设置在同一个温箱的同一个位置，进行温度调节时，对所述温箱的设定包括：

①温箱静置时，25℃保温60min；

②温箱以1℃/min速度升温5℃，于该温度点保温10min；

③返回步骤②进行温箱升温，直至所述温箱温度为80℃时，保温10min；

④温箱以1℃/min速度降温5℃，于该温度点保温10min；

⑤返回步骤④进行温箱降温，直至所述温箱温度为-40℃时，保温10min；

⑥返回步骤②进行温箱升温，直至所述温箱温度为25℃时，保温10min。

较优选的，所述测温电路包括铂电阻测温电桥、滤波电路、运算放大器、A/D转换模块、基准电压源、数字测温传感器和FPGA芯片；

所述数字测温传感器贴合所述基准电压源后与所述FPGA芯片连接；所述基准电压源依次与所述铂电阻测温电桥、所述滤波电路、所述运算放大器、所述A/D转换模块和所述FPGA芯片连接。

较优选的，所述铂电阻型号为PT100，所述铂电阻测温电桥包括铂电阻和3个阻值相同的定值精密电阻；所述铂电阻和所述定值精密电阻组成的两条支路中，对称位置的导线的型号、长度、布线方式相同。

本发明的技术方案中：

(1)通过对基准电压的输出值进行误差补偿，在计算过程中保证基准电压尽可能准确，从而在很大程度上提高了测温精度；

(2)设计了基准电压源温度误差模型标定方法，定期校准，可以有效保证测温电路的精度长期稳定。

(3)FGPA芯片软件中的参数易于修改，函数分段点易于调节，在提高补偿精度方面有较好的可操作性。

(4)设计的基准电压源温度误差模型标定方法，对于基准电压源的其他应用场合同样适用。

(5)在补偿铂电阻非线性误差的同时，进行基准电压源温度误差的补偿，额外增加的***功耗较小，结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例的采用基准电压补偿技术的测温电路原理图；

图2为本发明实施例的基准电压源温度误差标定电路示意图；

图3为本发明实施例的铂电阻测温电桥原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例的采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路，主要做法是在用铂电阻进行温度测量时，通过对基准电压的输出值进行误差补偿，在计算过程中保证基准电压尽可能准确，从而在很大程度上提高了测温精度。具体的：

本实施例提出的采用基准电压补偿技术的测温电路如图1所示，包括铂电阻测温电桥、滤波电路、运算放大器、A/D转换模块、基准电压源、数字测温传感器和FPGA芯片；数字测温传感器贴合基准电压源后与FPGA芯片连接，基准电压源依次与铂电阻测温电桥、滤波电路、运算放大器、A/D转换模块和FPGA芯片连接。基准电压源为铂电阻测温电桥供电的同时，通过表面贴合的数字测温传感器测量基准电压源的温度T_V-REF传到FPGA芯片；铂电阻测温电桥将被测温度转化成电压变化，输出为V_T-P和V_T-N，经过运算放大器放大β倍，再经过A/D转换模块将模拟量转换为数字量V_D后输入FPGA芯片；FPGA芯片根据基准电压源的温度误差标定模型和铂电阻非线性标定模型，进行被测温度的误差补偿和计算，输出被测温度的数字量。

具体的，本实施例建立基准电压源的温度误差标定模型时，其标定电路示意图如图2所示，包括基准电压源、运算放大器、A/D转换模块、数字测温传感器和FPGA芯片。数字测温传感器贴合基准电压源，将基准电压源的表面温度T_V-REF传到FPGA芯片。与此同时，基准电压源的输出电压V_REF经过运算放大器放大α倍，再经过A/D转换模块将模拟量转为数字量V_RD后传到FPGA芯片。调节基准电压源所在空间的温度，FPGA芯片锁存输出不同温度下基准电压源的表面温度和输出电压，使用MATLAB对基准电压源表面温度和输出电压值建模，建模过程如下：

根据FPGA芯片输出的数字量V_RD，计算基准电压输出量V_REF：

式中α为运算放大器的放大倍数；

基准电压输出量V_REF与温度值T_V-REF之间的函数关系为：

V_REF＝V_REF0+f(T_V-REF) (1)

式中，V_REF为基准电压源的输出电压；V_REF0为基准电压源的理论输出电压；f(T_V-REF)为输出误差随温度变化的分段函数。分段函数f(T_V-REF)中的各项参数使用最小二乘法拟合得到，分段点通过分析拟合残差确定。参数包括三次项系数、二次项系数、一次项系数、常数项。

具体的，本实施例建立铂电阻非线性标定模型时，其铂电阻测温电桥电路示意图如图3所示，包括铂电阻和3个阻值相同的定值精密电阻。基准电压源为铂电阻测温电桥供电，铂电阻和定值精密电阻组成的两条支路中，对称位置的导线的型号、长度、布线方式相同。本实施例的铂电阻型号为PT100。在建模时，调节铂电阻所在空间的温度，使其与基准电压源的温度误差标定建模时的温度变化同步，记录铂电阻在不同温度下的阻值数据，并传给FPGA芯片，FPGA芯片锁存输出温度和对应的阻值数据。使用MATLAB建模，确定所述铂电阻阻值与温度的函数。

本实施例在基准电压源的温度误差标定建模和铂电阻非线性标定建模时，将基准电压源所在空间和铂电阻所在空间分别设置在同一个温箱的同一位置，进行温度调节时，对温箱的设定包括：

①放入电路器件，温箱25℃保温60min；

②温箱以1℃/min速度升温5℃，于该温度点保温10min；

③返回步骤②进行温箱升温，直至所述温箱温度为80℃时，保温10min；

④温箱以1℃/min速度降温5℃，于该温度点保温10min；

⑤返回步骤④进行温箱降温，直至所述温箱温度为-40℃时，保温10min；

⑥返回步骤②进行温箱升温，直至所述温箱温度为25℃时，保温10min。

具体的，本实施例进行被测温度的误差补偿和计算时，步骤如下：

I.使用已知量V_REF0和所述FPGA芯片输入量T_V-REF，根据所述基准电压源温度误差标定方法得到的函数关系，计算基准电压输出量V_REF的值：

V_REF＝V_REF0+f(T_V-REF) (1)

式中，V_REF0为基准电压源的理论输出，f(T_V-REF)为表征输出误差随温度变化的分段函数；

II.使用已知量β和FPGA芯片输入量V_D，计算铂电阻测温电桥输出端点的电压V_T：

式中，β为进行测温方法时运算放大器的放大倍数；V_D为进行测温方法时FPGA芯片接收A/D转换模块输出的数字量；

III.根据铂电阻测温电桥依据电桥原理，铂电阻测温电桥输出端点的电压V_T为：

因此，铂电阻阻值R_T计算公式为：

式中，R为定值的精密电阻；

V.使用上述步骤III所得铂电阻阻值R_T，根据所述铂电阻非线性标定得到的函数关系，计算被测温度的输出值T：

T＝g(R_T) (4)。

最后，FPGA芯片输出被测温度的数字量。

本实施例电路中部分参数如下：

铂电阻测温电桥中精密电阻的阻值为100欧；

数字测温传感器的型号为DS18B20；

A/D转换模块包括A/D转换芯片，其型号为ADS1146。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用基准电压补偿技术的测温方法，其特征在于，基准电压源为铂电阻测温电桥供电的同时，通过表面贴合的数字测温传感器测量其温度传到FPGA芯片；所述铂电阻测温电桥将被测温度转化成电压变化，再依次经过滤波电路、运算放大器和A/D转换模块后输入所述FPGA芯片；所述FPGA芯片根据基准电压源的温度误差标定模型和铂电阻非线性标定模型，进行所述被测温度的误差补偿和计算，输出所述被测温度的数字量；

其中，建立所述基准电压源的温度误差标定模型的步骤包括：

(1)所述数字测温传感器贴合所述基准电压源，将所述基准电压源的表面温度传到所述FPGA芯片；

(2)所述基准电压源的输出电压经过所述运算放大器和所述A/D转换模块后传到所述FPGA芯片；

(3)调节所述基准电压源所在空间的温度，所述FPGA芯片锁存输出不同温度下所述基准电压源的表面温度和输出电压；

(4)根据步骤(3)得到的表面温度和输出电压值建模，确定所述基准电压源的输出电压与表面温度的函数；

建立所述铂电阻非线性标定模型的步骤包括：

1)所述基准电压源为所述铂电阻测温电桥供电；

2)调节铂电阻所在空间的温度，使其与步骤(3)的温度变化同步，所述FPGA芯片锁存铂电阻在不同温度下的阻值数据并输出；

3)根据步骤2)中的温度和对应阻值数据建模，确定所述铂电阻阻值与温度的函数。

2.如权利要求1所述的测温方法，其特征在于，步骤(4)所述基准电压源的输出电压与表面温度的函数如下：

建立所述基准电压输出量V_REF与所述表面温度T_V-REF之间的函数关系为：

V_REF＝V_REF0+f(T_V-REF) (1)

式中，V_REF为基准电压源的输出电压；V_REF0为基准电压源的理论输出电压；f(T_V-REF)为输出误差随温度变化的分段函数。

3.如权利要求2所述的测温方法，其特征在于，所述分段函数f(T_V-REF)中分段点通过分析拟合残差确定。

4.如权利要求2或3所述的测温方法，其特征在于，进行所述被测温度的误差补偿和计算包括如下步骤：

I.根据公式(1)，计算基准电压源的输出电压V_REF的值；

II.计算所述铂电阻测温电桥的输出端点的电压V_T：

式中，β为进行测温方法时运算放大器的放大倍数；V_D为进行测温方法时FPGA芯片接收A/D转换模块输出的数字量；

III.计算铂电阻阻值R_T：

式中，R为定值的精密电阻；

V.计算被测温度的数字量T：

T＝g(R_T) (4)。

5.如权利要求3所述的测温方法，其特征在于，将所述基准电压源所在空间和铂电阻所在空间分别设置在同一个温箱的同一个位置，进行温度调节时，对所述温箱的设定包括：

①温箱静置时，25℃保温60min；

②温箱以1℃/min速度升温5℃，于该温度点保温10min；

③返回步骤②进行温箱升温，直至所述温箱温度为80℃时，保温10min；

④温箱以1℃/min速度降温5℃，于该温度点保温10min；

⑤返回步骤④进行温箱降温，直至所述温箱温度为-40℃时，保温10min；

⑥返回步骤②进行温箱升温，直至所述温箱温度为25℃时，保温10min。