CN207832350U

CN207832350U - 温度传感器高速动态特性校准装置

Info

Publication number: CN207832350U
Application number: CN201820093700.3U
Authority: CN
Inventors: 张魁; 张一魁; 王子曼
Original assignee: Tianjin Sheng Jian Measuring And Testing Technology Service Co Ltd
Current assignee: Tianjin Sheng Jian Measuring And Testing Technology Service Co Ltd
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2028-01-19

Abstract

本实用新型提出了温度传感器高速动态特性校准装置，包括校准温度场箱、光路***和数据采集控制***；所述光路***设置在校准温度场箱外部，包括红外激光器、全反射镜和透镜组件；所述红外激光器的激光输出端与全反射镜同轴设立，所述透镜组件设置在全反射镜的反射光路上，红外激光器照射在校准温度场箱内的被校准温度传感器上，所述红外激光器和被校准温度传感器同时探测热源温度；所述数据采集控制***连接被校准温度传感器和红外激光器。不仅能实现温度传感器高速动态特性的性能校准，同时其校准温度量程宽并且可调；利用光学***对激光器与光学透镜的结合，需要使温度传感器产生快速的温度阶跃，同时保证高温场不对周围低温场产生影响。

Description

温度传感器高速动态特性校准装置

技术领域

本实用新型涉及高速温度测量技术领域，特别涉及一种温度传感器高速动态特性校准装置。

背景技术

随着科技发展，高速动态温度测量在机械动力***、核能***等领域有着广泛需求。温度是表征物体冷热程度的物理量，在科研、日常生活、医疗卫生、工农业生产等领域有着广泛的应用。而动态温度特别是高速动态温度(即温度场高速变化)测量在热工设备、动力机械、发动机、化工容器、核能工程等领域有着非常重要的地位，特别是在机械动力***领域，动态温度的准确测量关系到***寿命和性能评估。

温度传感器动态响应特性是指传感器的温度与被测介质温度增量之间的关系，一般用微分方程或传递函数的形式表示。动态特性好的温度传感器，其输出温度随时间变化的规律将能同时再现输入温度随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。

但在高速动态温度测量中存在如下问题：(1)现有的传感器响应速度跟不上动态温度变化的速度，即由于传感器感温器件的热惯性和有限热传导，使得所测温度与实际温度存在差别。在时域表现为传感器的响应时间太长，不能正确反映输入信号的快速变化，存在动态响应误差。(2)理想的温度传感器的动态特性是传感器不管动态激励大小，其动态校准的结构都是相同(或很接近)的。而实际上传感器不可能在全量程范围内实现理想的动态线性传感器。(3)当温度传感器的动态特性不满足要求时，如何改善其动态特性，这也是传感器实际应用中所面临的问题。

因此，有必要进行温度传感器高速动态特性的研究，即针对传感器的高速动态特性进行标定，得出传感器的动态响应曲线，确定传感器的动态性能指标，进而对传感器动态性能进行修正，实现温度传感器高速动态特性的准确测量。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述的技术缺陷之一。

为了实现上述目的，本实用新型一方面的实施例提供一种温度传感器高速动态特性校准装置，包括校准温度场箱、光路***和数据采集控制***；所述光路***设置在校准温度场箱外部，包括红外激光器、全反射镜和透镜组件；所述红外激光器的激光输出端与全反射镜同轴设立，所述透镜组件设置在全反射镜的反射光路上，所述红外激光器照射在校准温度场箱内的被校准温度传感器上，所述红外激光器和被校准温度传感器同时探测热源温度；所述数据采集控制***连接被校准温度传感器和红外激光器。

优选的，所述数据采集控制***包括传感器变送器电路、信号放大滤波电路和控制电路；所述传感器变送器电路的输入端连接被校准温度传感器的信号输出端，传感器变送器电路的输出端依次连接信号放大滤波电路和控制电路。

优选的，所述控制电路包括MCU处理器、显示接口和继电器；所述MCU处理器通过显示接口连接显示屏幕；所述继电器连接红外激光器。

进一步，所述校准温度场箱还设有热电偶，所述热电偶与继电器相连接。

优选的，所述透镜组件包括聚光透镜、球面透镜；所述全反射镜和聚光透镜与水平方向呈45度角倾斜放置，所述聚光透镜与全反射镜平行设置，并位于全反射镜的下方，反射光路正对球面透镜中部。

优选的，所述红外激光器包括红外探测器和CO2激光器；所述红外探测器为热电制冷型碲镉汞红外探测器。

优选的，所述校准温度场箱还设有电子温度计，所述电子温度计与控制电路相连接。

根据本实用新型实施例提供的一种温度传感器高速动态特性校准装置，相比于现有的温度传感器校准装置，至少具有以下优点，首先，该装置利用激光器不仅能实现温度传感器高速动态特性的性能校准，同时其校准温度量程宽并且可调；利用光学***对激光器与光学透镜的结合，一方面需要使温度传感器产生快速的温度阶跃，同时保证高温场不对周围低温场产生影响；利用控制器对红外激光器进行精准控制，实现温度传感器的负阶跃温度激励，能精确测定温度传感器的动态特性，从而实现动态校准。其自动校准的特点，可以降低人员失误带来的风险，使数据处理更加客观、高效，从而提高工作的质量。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例提供的温度传感器高速动态特性校准装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的温度传感器高速动态特性校准装置的连接结构图；

图中、1、光路***；2、校准温度场箱；101、红外激光器；102、全反射镜；103、透镜组件；201、被校准温度传感器；202、传感器变送器电路；203、信号放大滤波电路；204、控制电路。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种温度传感器高速动态特性校准装置，包括校准温度场箱2、光路***1和数据采集控制***；光路***设置在校准温度场箱外部，包括红外激光器101、全反射镜102和透镜组件103；红外激光器101的激光输出端与全反射镜102同轴设立，透镜组件103设置在全反射镜102的反射光路上，红外激光器101照射在校准温度场箱2内的被校准温度传感器201上，红外激光器101和被校准温度传感器201同时探测热源温度；数据采集控制***连接被校准温度传感器201和红外激光器101。

数据采集控制***包括传感器变送器电路202、信号放大滤波电路203和控制电路204；传感器变送器电路202的输入端连接被校准温度传感器201的信号输出端，传感器变送器电路202的输出端依次连接信号放大滤波电路203和控制电路204。控制电路204包括MCU处理器、显示接口和继电器；MCU处理器通过显示接口连接显示屏幕；继电器连接红外激光器101。校准温度场箱2还设有热电偶，热电偶与继电器相连接。

如图2所示，透镜组件103包括聚光透镜104、球面透镜105；全反射镜102和聚光透镜与水平方向呈45度角倾斜放置，聚光透镜与全反射镜102平行设置，并位于全反射镜102的下方，反射光路正对球面透镜中部。

红外激光器101包括红外探测器和CO2激光器；红外探测器为热电制冷型碲镉汞红外探测器。校准温度场箱2还设有电子温度计，电子温度计与控制电路204相连接。控制器根据电子温度计采集的温度信息进行温度传感器温度曲线的拟合。

工作原理是，由CO2激光器产生动态激励信号，激光照射在被测温度传感器表面，引起表面瞬时温度上升，以被校准的温度传感器和激光器同时对热源进行测量，红外探测器将自身温度发送至控制器，由于红外探测器的频率响应特性远优于被校准的温度传感器，因此可用激光器所测得的曲线作为依据来校准被校准温度传感器的动态相应特性，并获得***误差修订值。

在本实用新型中，热响应时间指温度传感器的温度变化量相当于施加的阶跃温度激励的某个规定百分数时所需时间，通常需记录达到阶跃温度激励的10％，50％和90％所需时间τ_0.1，τ_0.5和τ_0.9；当达到阶跃温度激励的63.2％所需的时间即为时间常数τ。该所需参数可直接通过信号采集***准确读取。

根据高等数学中一阶动态响应函数，获取温度传感器时间常数后，可以进一步对传感器动态性能进行改善，通常可以认为温度传感器的动态响应函数为一阶惯性环节，即：公式(1)

T(n)＝T′(n)+τΔT′(n)/Δt (1)

式中T(n)为传感器周围介质的真实温度值，T′(n)为温度传感器实测值，通过对该差分方程求解，可以获得：公式(2)

T(m)＝[1+jτ(2πm/N)]T′(m) (2)

式中N为采样的样本数，该式为修正后的测量真实值的傅里叶变换，通过逆变换即可获得介质的真实温度值，实现对温度传感器动态性能的修正。

基于上述理论基础，温度传感器高速动态性能校准过程包括两个步骤：

第一步，将全量程分为三段，第一阶段的阶跃温度为满量程的20％-30％，第二阶段的阶跃温度为满量程的45％-55％，第三阶段的阶跃温度为满量程的70％-80％；

第二步，为每阶段连续测量3-6次，每次的测量值及多次的平均值偏差小于10％时，认为有效；多阶段多次数测量的平均值作为最终的传感器时间常数。该过程能保证宽量程温度传感器动态性能校准的有效性。

进一步求取多次时间常数T的均方根σ，其于时间常数的百分比作为表征传感器动态重复性；并且A类不确定度U_A直接由σ构成，B类不确定度U_B主要由信号采集***的分辨率决定，进而确定最终测量不确定度U。

最后根据测量过程中获取的值，在计量报告上列出测量中间值，最终参数值，不确定度，以及传感器动态性能改善方法，从而完成整个温度传感器高速动态特性的校准过程。

利用上述现有的热力学中，高等数学公式计算，即可在本实用新型特有的结构的基础上实现温度传感器高速动态特性校准。进一步，根据本实用新型实施例提供的一种温度传感器高速动态特性校准装置，相比于现有的温度传感器校准装置，至少具有以下优点，首先，该装置利用激光器不仅能实现温度传感器高速动态特性的性能校准，同时其校准温度量程宽并且可调；利用光学***对激光器与光学透镜的结合，一方面需要使温度传感器产生快速的温度阶跃，同时保证高温场不对周围低温场产生影响；利用控制器对红外激光器进行精准控制，实现温度传感器的负阶跃温度激励，能精确测定温度传感器的动态特性，从而实现动态校准。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，包括校准温度场箱、光路***和数据采集控制***；所述光路***设置在校准温度场箱外部，包括红外激光器、全反射镜和透镜组件；所述红外激光器的激光输出端与全反射镜同轴设立，所述透镜组件设置在全反射镜的反射光路上，所述红外激光器照射在校准温度场箱内的被校准温度传感器上，所述红外激光器和被校准温度传感器同时探测热源温度；所述数据采集控制***连接被校准温度传感器和红外激光器。

2.根据权利要求1所述的温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，所述数据采集控制***包括传感器变送器电路、信号放大滤波电路和控制电路；所述传感器变送器电路的输入端连接被校准温度传感器的信号输出端，传感器变送器电路的输出端依次连接信号放大滤波电路和控制电路。

3.根据权利要求2所述的温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，所述控制电路包括MCU处理器、显示接口和继电器；所述MCU处理器通过显示接口连接显示屏幕；所述继电器连接红外激光器。

4.根据权利要求1所述的温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，所述透镜组件包括聚光透镜、球面透镜；所述全反射镜和聚光透镜与水平方向呈45度角倾斜放置，所述聚光透镜与全反射镜平行设置，并位于全反射镜的下方，反射光路正对球面透镜中部。

5.根据权利要求1所述的温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，所述红外激光器包括红外探测器和CO2激光器；所述红外探测器为热电制冷型碲镉汞红外探测器。

6.根据权利要求3所述的温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，所述校准温度场箱还设有热电偶，所述热电偶与继电器相连接。

7.根据权利要求1所述的温度传感器高速动态特性校准装置，其特征在于，所述校准温度场箱还设有电子温度计，所述电子温度计与控制电路相连接。