安志勇，溫培培

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

基于PT1000的火控系統(tǒng)溫度測(cè)試技術(shù)研究

安志勇，溫培培

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

火控系統(tǒng)功能繁多、技術(shù)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，要求溫度參數(shù)精度高，測(cè)溫范圍寬。本文提出了基于PT1000的溫度測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了火控溫度測(cè)試系統(tǒng)。文中采用MATLAB對(duì)采集的數(shù)據(jù)線性化處理，使溫度計(jì)算更加簡(jiǎn)單；應(yīng)用IFC算法快速濾除了系統(tǒng)較大溫度誤差值，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確化處理。實(shí)驗(yàn)表明，該火控溫度測(cè)試系統(tǒng)的精度可達(dá)0.2℃，適用于多種高精度溫度測(cè)試，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

PT1000；線性化處理；IFC算法

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)測(cè)溫的要求越來(lái)越高，雖然高精度、便攜式的多點(diǎn)溫度測(cè)試儀廣泛的應(yīng)用于多種工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)精確溫度測(cè)試，但其缺點(diǎn)是環(huán)境適用性差，數(shù)據(jù)處理功能單一和實(shí)時(shí)性較差。

在實(shí)際應(yīng)用中，火控系統(tǒng)具有晝夜觀瞄、測(cè)距、測(cè)角、測(cè)向、環(huán)境參數(shù)探測(cè)和榴彈引信裝定等功能，由于其功能繁多，技術(shù)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣和火炮熱點(diǎn)分布不均，要求工作環(huán)境溫度參數(shù)測(cè)試精度高，為了滿足火控系統(tǒng)溫度測(cè)試高分辨率、高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)等技術(shù)要求，本文開展了基于PT1000的火控系統(tǒng)溫度測(cè)試研究，為火控系統(tǒng)的研制提供重要的技術(shù)支持。

1 溫度測(cè)試?yán)碚摲治?/h2>

熱電阻溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫場(chǎng)合，尤其是鉑電阻具有高穩(wěn)定性和良好的復(fù)現(xiàn)性，也用作溫度基準(zhǔn)儀器［1］，PT1000鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度的［2］，可用于高精度、高速度的溫度測(cè)試中，通常根據(jù)阻值求溫度的方法有兩種，即查表法和計(jì)算法，由于系統(tǒng)的測(cè)溫精度較高，故本文選用計(jì)算法，計(jì)算法原理為：鉑電阻在-200～0℃時(shí)，其溫度和阻值符合式（1）的函數(shù)關(guān)系：

（1）式中，RT為溫度T時(shí)的PT1000阻值；R0為0℃時(shí)的鉑電阻阻值；A=3.9083×10-3℃-1；B= -5.775×10-7℃-2；C=-4.183×10-12℃-4。

在0～850℃時(shí)，其溫度和阻值之間關(guān)系如式（2）：

同理，根據(jù)（1）、（2）式求出其反函數(shù)，代入鉑電阻阻值，計(jì)算出對(duì)應(yīng)阻值的溫度值，從而形成了PT1000的熱分度表。

本系統(tǒng)測(cè)溫范圍-25℃～+55℃，經(jīng)查PT1000的分度表對(duì)應(yīng)電阻范圍是900Ω～1220Ω，系統(tǒng)選用5V直流電源供電，采集電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，經(jīng)PT1000溫度傳感器成電壓信號(hào)，測(cè)溫范圍對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)為（U下，U上），分別如式（3）、（4）所示：

上、下限電壓之差為輸出電壓最大值約為0.37975V，即為輸出電壓最大值，為保證測(cè)量輸入信號(hào)能占滿分布區(qū)間不超電源電壓，且便于信號(hào)處理，電壓至少需放大10倍，即最終經(jīng)放大電路輸出端電壓約為3.7975V，若選用10位的A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換，設(shè)S為電壓分辨率，則S=3.7975/1024= 3.70436mV，假定系統(tǒng)的測(cè)溫精度N，則

由（5）式求得y≈0.0781249719898＜0.2，從理論上分析，該火控系統(tǒng)溫度測(cè)試技術(shù)研究滿足精度要求。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火控溫度測(cè)試系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心，由多路溫度采集、信號(hào)處理、AVR單片機(jī)系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)以及上位機(jī)溫度顯示等模塊組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

多路溫度采集模塊采集當(dāng)前的火控系統(tǒng)環(huán)境溫度，將所得信號(hào)經(jīng)放大濾波處理后，再傳送給AVR單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與IFC處理，處理后的溫度送給上位機(jī)顯示，并控制保溫系統(tǒng)進(jìn)行工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 多路溫度采集與信號(hào)處理模塊

系統(tǒng)選用A級(jí)工業(yè)薄膜鉑電阻PT1000溫度傳感器作為多路溫度采集模塊的探測(cè)器，其電阻系數(shù)為正，耐氧化能力較好，測(cè)溫范圍可達(dá)到-200℃～650℃［3］，分辨率可達(dá)0.1，能夠滿足系統(tǒng)精確測(cè)溫的要求。

對(duì)于火炮熱點(diǎn)分布不均，需采用多路采集溫度參數(shù)，提高溫度測(cè)試的實(shí)用性和精準(zhǔn)性，多路溫度采集模塊的一路測(cè)溫原理如圖2所示：

圖2 多路溫度采集模塊的一路測(cè)溫原理圖

如圖2所示的電路是不平衡電橋電路，故PT1000溫度傳感器采用三線制接法，目的是消除了部分引線電阻［4］，從而提高測(cè)溫精度，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)溫范圍-25℃～+55℃，對(duì)應(yīng)PT1000阻值范圍900Ω～1220Ω，電路中R1與PT1000串聯(lián)起到限流的作用；R3、R4串聯(lián)作為PT1000的基準(zhǔn)；電容C1濾除溫度噪聲信號(hào)；測(cè)得U0的電壓范圍是0～0.35V，根據(jù)理論分析，需對(duì)U0采用求差放大電路放大10倍，放大后的輸出電壓U1的范圍為0～3.5V，量程變寬，便于測(cè)量與讀數(shù)，為了提高帶載能力，放大后的電壓經(jīng)電壓跟隨器處理后傳送給AVR單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。

2.2 AVR單片機(jī)系統(tǒng)模塊

根據(jù)溫度測(cè)試?yán)碚摲治?，需選用10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)需用ATmega16單片機(jī)內(nèi)部集成了10位精度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），內(nèi)建采樣/保持電路［5］，能夠滿足理論計(jì)算的精度的要求，ATme-gal6內(nèi)部自帶的ADC具有非線性度0.5LSB，絕對(duì)精度±2LSB；轉(zhuǎn)換時(shí)間65～260μm；最高分辨率時(shí)采樣率高15KS/s等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的需求，其AVR單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 AVR單片機(jī)系統(tǒng)

在圖3中，PT1000八路溫度采集電路的電壓輸出端口與ATmeg16的PA0～PA7連接，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；選用12MHz晶振芯片接入單片機(jī)，產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，保證單片機(jī)的運(yùn)行速度；RS-232接口電路采用MAX232芯片，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊。

2.3 基于IFC算法的數(shù)據(jù)處理

通常對(duì)多路溫度數(shù)據(jù)處理方法為求均值法，為提高測(cè)量精度，本系統(tǒng)采用模糊控制（IFC）算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確化處理［6］，其基本原理如圖4所示，控制算法分為以下四個(gè)步驟。

（1）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算出輸入變量；

（2）將輸入變量的精確量變?yōu)槟：浚?/p>

（3）根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量（模糊量）；

（4）由上述得到的控制量（模糊量）計(jì)算精確的控制量。

圖4 IFC原理圖

系統(tǒng)采用模糊控制（IFC）算法目的是濾除誤差較大的測(cè)量值，具體做法是在規(guī)定很短周期內(nèi)獲取n個(gè)溫度的采樣值xi（i=1，2，…n），并求出其平均值ˉx，具體求法如式（6）：

選取某個(gè)測(cè)試點(diǎn)的采樣值，并求出采樣值與平均值的差值Δx，即為

在（7）式中：若|Δx|＞0.2，則舍棄x1，其中0.2為測(cè)試精度；若|Δx|＜0.2，則即x1留用作為有用測(cè)量數(shù)據(jù)，x2替換x1，x3替換x2，依次遞推，用當(dāng)前采樣的xn替換xn-1，然后用這n-1個(gè)新的數(shù)值再求，再進(jìn)行比較，如此周而復(fù)始的操作就可以實(shí)現(xiàn)濾除誤差較大的測(cè)量值，達(dá)到溫度測(cè)試的最佳值，此法比常用的求均值法更靈活、更精確。

3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)的線性化處理

根據(jù)PT1000的熱電阻分度表，可知電阻變化與溫度變化的基本符合線性變化，在實(shí)際應(yīng)用中可得輸出電壓變化量與PT1000阻值變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了數(shù)據(jù)處理方便，直接給出溫度、PT1000阻值和輸出電壓三者之間的關(guān)系，具體見表1所示。

表1 PT1000阻值與輸出電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

續(xù)表

根據(jù)表1中測(cè)試數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件進(jìn)行不同類型的線型擬合［7］，分別擬合出了二元、三元以及四元曲線方程，通過觀察曲線圖的線性度，確定方程選取三元曲線方程較線性較好，故可得到的擬合方程為：

其中，x表示輸出的電壓值；y1、y2表示輸出電壓對(duì)應(yīng)的溫度值。

為驗(yàn)證其測(cè)試精度，在表1中任意選取原始溫度值為-25℃，-20℃，-10℃，0℃，20℃，25℃，35℃，45℃，55℃對(duì)應(yīng)的輸出電壓值分別代入上式（8）、（9）中，計(jì)算如表2所示。

表2 原始溫度與擬合溫度比較

經(jīng)計(jì)算兩組模擬溫度值與原始溫度的誤差，（9）式的誤差更小一些，其擬合曲線方程圖如圖5所示。

最終，選擇（9）式作為最貼合測(cè)量線性化的方程式，通過PT1000阻值的變化，模擬出輸出電壓值與該時(shí)刻溫度值的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換，便可反推得到溫度值，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)溫。

圖5 多項(xiàng)式擬合曲線圖

3.2 實(shí)驗(yàn)考核

為驗(yàn)證其測(cè)試精度，在濕度、照度等相同的測(cè)試條件下，使用高精度測(cè)溫儀（精度為±0.01℃）與本系統(tǒng)同時(shí)對(duì)火控系統(tǒng)規(guī)定的溫度進(jìn)行測(cè)試，分別得到10組測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并計(jì)算出兩者的絕對(duì)差值，具體如表3所示。由表3可以看出，二者絕對(duì)差值都低于0.2℃，滿足精確測(cè)溫的要求。

表3 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)火控系統(tǒng)環(huán)境測(cè)試要求，對(duì)火控系統(tǒng)的溫度測(cè)試方法進(jìn)行了深入的研究，提出了基于PT1000的火控系統(tǒng)溫度測(cè)試方法，采用PT1000溫度探測(cè)器進(jìn)行火控環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集，并設(shè)計(jì)了AVR單片機(jī)系統(tǒng)，對(duì)多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用MATLAB軟件對(duì)大量數(shù)據(jù)線性化擬合，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)之間的關(guān)系更利于計(jì)算，應(yīng)用IFC算法快速濾除了系統(tǒng)較大誤差溫度值，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確化處理，本文所設(shè)計(jì)的火控溫度測(cè)試系統(tǒng)具有高精度，高效率等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用到其它高精度溫度測(cè)試中，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 曹玉強(qiáng)，賈磊.測(cè)溫系統(tǒng)溫度漂移的還原補(bǔ)償法［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2003，24（1）：32-35.

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責(zé)任編輯：吳旭云

Research on Tem Perature Test Technology for Fire Control System Based on PT1000

AN Zhiyong，WEN PeiPei
（School of OPtoElectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Fire control system with the features of numerous functions，comPlex technology and Poor working conditions requires high-Precision temPerature Parameters and wide temPerature test range.This PaPer Presents amethod of PT1000-based temPerature test and designs a fire control temPerature test system.MATLAB is used to do linear Processing on collected data，making the temPerature calculation easier；IFC Algorithm is aPPlied to quickly filter the larger temPerature error value of the system，achieving the Precise treatment on the data.ExPeriments show that the accuracy of the fire control temPerature measurement system reaches 0.2℃，which is suitable for a variety of high-Precision temPerature testing，having a good aPPlication value.

PT1000；linearization；IFC Algorithm

TH811

A

1009-3907（2015）06-0008-06

2014-09-08

吉林省重大項(xiàng)目（KYC-JC-XM-2010-059）

安志勇（1943-），男，河北唐山人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事光電測(cè)控系統(tǒng)與儀器的研究。