馮思奇，王黎明，常海龍

(中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051)

在傳統(tǒng)的溫度測(cè)量電路中，由于電路中的電子元件、焊接技術(shù)、裝配封裝存在的差異，會(huì)導(dǎo)致電路的一致性問題的存在。往往這些非人為因素原因，被大家忽略掉。這些忽略掉的因素，有些時(shí)候會(huì)給整個(gè)溫度測(cè)試研究帶來問題，直接影響測(cè)試結(jié)果的高精度和高穩(wěn)定。即使選用同一批次的元器件，相同的焊接技術(shù)，同模塊的電路也會(huì)存在差異。本文根據(jù)上述存在的問題，提出了一種新的方案，結(jié)合自身設(shè)計(jì)溫度測(cè)試電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了提高不同電路板測(cè)溫電路之間的一致性，進(jìn)一步的提高測(cè)試的精度和穩(wěn)定性。

1 溫度的測(cè)量現(xiàn)狀

近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的不斷提高，溫度測(cè)試技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展，多種多樣的測(cè)試方法技術(shù)涌現(xiàn)，根據(jù)測(cè)溫的基本原理，主要可以分為兩大類:一種是接觸式的測(cè)溫方法，另一種是非接觸測(cè)溫方法。接觸式的方法主要包括:膨脹式的測(cè)量，電量式的測(cè)量，接觸式光電、熱色測(cè)量等。而非接觸測(cè)量主要包括:輻射式測(cè)量，光譜法測(cè)量，激光干涉測(cè)量，聲波、微波法測(cè)量等。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測(cè)溫方法，由于其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，在未來的眾多領(lǐng)域溫度測(cè)量中，依然能夠廣泛地使用。隨著新工藝、新材料以及新的技術(shù)發(fā)展，其應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛［1］。本溫度測(cè)試系統(tǒng)就是采用鉑電阻Pt100 熱電阻測(cè)量方法。這種溫度測(cè)試方法，可以很好滿足一般的工業(yè)上的溫度測(cè)試要求。但是很難滿足在惡劣環(huán)境下(高溫、強(qiáng)電磁干擾等)溫度測(cè)試要求，外界帶來的干擾完全可以把有用信號(hào)湮沒，可測(cè)量溫度問題帶來新的問題和新的挑戰(zhàn)。

2 測(cè)溫系統(tǒng)的一致性設(shè)計(jì)

在應(yīng)用方面，傳統(tǒng)熱電阻和熱電偶溫度測(cè)試系統(tǒng)，為了提高其測(cè)量精度，采用兩種方式來達(dá)到其目的。一是選用高精度的電源，為電橋電路提供高精度的基準(zhǔn)電壓，這樣會(huì)大大提高其硬件成本［2，3］。二是通過滑動(dòng)變阻來調(diào)整偏執(zhí)電壓，使其輸出為零。這樣的處理方式對(duì)測(cè)溫的一致性起到了一定效果，但是沒有從根本上解決一致性的問題。解決一致性問題，關(guān)鍵在于放大電路的設(shè)計(jì)，在應(yīng)用放大電路時(shí)，放大倍數(shù)一致的話，從本質(zhì)上給不同模塊同一測(cè)溫電路解決其一致性問題。為了達(dá)到高精度的溫度測(cè)試要求，本文從二個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造。本文根據(jù)實(shí)際的測(cè)試環(huán)境需求，專門設(shè)計(jì)了滿足動(dòng)力艙內(nèi)部復(fù)雜惡劣的溫度測(cè)試要求的調(diào)理電路，與傳統(tǒng)的熱電阻測(cè)溫方法相同，對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展優(yōu)化，不但可以在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中正常的工作，而且用硬件電路解決了相同模塊溫度測(cè)試調(diào)理電路一致性問題，其中電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案也是首次提出，有了很大的創(chuàng)新，使其可以在動(dòng)力艙內(nèi)的復(fù)雜惡劣的測(cè)試環(huán)境中，滿足測(cè)試的需求［4］。系統(tǒng)總體圖見圖1。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)的總體圖

3 一致性電路改善設(shè)計(jì)

首先對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的電橋電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行改善。選用了AD 公司ADR380 電壓基準(zhǔn)芯片，該芯片可以把電路中現(xiàn)有的電壓+15 V 直接轉(zhuǎn)化成2.048 V，選用該芯片由于利用溫度漂移曲率校正技術(shù)，可以使電壓隨溫度變化的非線性度降至最小，可以滿足高溫環(huán)境中的溫度測(cè)試。由于基準(zhǔn)芯片初始精度為－5 mV 到+5 mV 之間，存在的誤差，為了確保輸出的基準(zhǔn)電壓都為2.048 V，選用雙運(yùn)放op285，構(gòu)造兩級(jí)反向比例電路，反饋電阻R2 和R4 選用精度為0.1%的5 ppm 的滑動(dòng)電阻，可以進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，確保每一塊測(cè)溫系統(tǒng)電橋電路基準(zhǔn)電壓值為2.048 V，見圖2。

圖2 高精度電橋基準(zhǔn)電壓電路

其次，溫度測(cè)試系統(tǒng)中的放大電路的增益電阻需要改善。本系統(tǒng)的放大電路選用儀表運(yùn)放AD8429，增益電阻選用低溫漂5 ppm 精度都為0.1%固定電阻和滑動(dòng)變阻，構(gòu)建放大電路，見圖3。

圖3 優(yōu)化后放大電路

增益電阻RG1 和RG2，決定了放大調(diào)理電路的輸出，由于RG2 為可變電阻，所以可以微調(diào)RG2 使得同一測(cè)溫模塊不同電路板的電路具有相同的放大倍數(shù)，消除了由于電阻誤差而導(dǎo)致的放大倍數(shù)不同，從根本上解決的了同模塊不同電路板之間的一致性問題［5］。

4 方案的驗(yàn)證分析

首先傳感器選用相同帶有屏蔽線鎧裝PT100 鉑電阻，將同一模塊不同的未經(jīng)過優(yōu)化的測(cè)試調(diào)理電路(共5 塊)放入大小為110* 90* 114 的鋁制外殼1 內(nèi)(密閉)，同理將經(jīng)過優(yōu)化的同一模塊不同的測(cè)試調(diào)理電路(共5 塊)也放入大小為110* 90* 114 的鋁制外殼2 內(nèi)(密閉)，兩種鋁殼材質(zhì)和制作工藝都相同［6］。然后將傳感器以及鋁殼1、2 放入高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，置于相同的溫度環(huán)境，加熱高低溫實(shí)驗(yàn)箱，分別在30.01 ℃，49.67 ℃，以及65.90 ℃下，用數(shù)據(jù)采集儀采集調(diào)理電路輸10 路輸出的電壓信號(hào)，采樣頻率1 k，時(shí)間4.096 s。

把采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過Matlab 處理，繪制出了電壓信號(hào)的輸出波形。

首先將鋁盒1 內(nèi)，未經(jīng)過優(yōu)化的測(cè)溫模塊電路，共5 塊，繪制出波形，得到圖4。

圖4 未經(jīng)過優(yōu)化測(cè)溫模塊的一致性總圖

從圖中可以看出在不同的溫度下，輸出大體相同，但是有40 mV 的誤差，可以看出每塊板子的放大增益倍數(shù)不同。給高精度的測(cè)量帶來了較大的誤差。

其次，把不同溫度下的未經(jīng)過優(yōu)化的相同模塊測(cè)溫電路圖形放大，得到圖5。

圖5 未經(jīng)過優(yōu)化測(cè)溫模塊的一致性子圖

從圖中可以清楚地看出，5 路電壓信號(hào)存在的較大的誤差，20 mV 至40 mV 之間，以4 號(hào)測(cè)溫板為例，30.01 ℃時(shí)，位于子圖1 的最下面;49.67 ℃時(shí)，位于子圖2 的中間;65.90 ℃時(shí)，位于子圖3 的最上面，可以清楚地看出其增益倍數(shù)明顯的高于其它4 路。說明由于增益電阻不同從而導(dǎo)致增益放大倍數(shù)的不同。

最后，把鋁盒2 內(nèi)的經(jīng)過優(yōu)化的同模塊的測(cè)溫電路，共5 塊，繪制出不同溫度下的輸出電壓波形，見圖6。

圖6 經(jīng)過優(yōu)化的同模塊測(cè)溫電路一致性子圖

從圖中，可以的明顯地看出5 塊電路板之間的輸出電壓誤差控制在5 mV 內(nèi)，輸出的電壓波形很接近。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在鋁盒2 內(nèi)的輸出電壓的一致性，明顯優(yōu)于鋁盒1 內(nèi)，達(dá)到了較好的效果，，整體的性能比原來的提高了4 到8 倍，可以充分的滿足高精度測(cè)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過介紹一種通過硬件的方法解決了同一測(cè)溫模塊不同電路的一致性問題，出于對(duì)高溫以及強(qiáng)電磁干擾惡劣的測(cè)試環(huán)境的考慮，設(shè)計(jì)出了能夠在惡劣環(huán)境下有效改善，降低干擾的測(cè)溫模塊電路，提高了測(cè)量精度，同時(shí)通過改善基準(zhǔn)電壓以及放大增益倍數(shù)，較好地解決了輸出信號(hào)的一致性問題，使得整體的性能又有了5～8 倍的提高，比傳統(tǒng)的方法，降低成本，具有很大的創(chuàng)新，為今后研究同模塊不同電路一致性問題提供了一種有效的方法，滿足了動(dòng)力艙內(nèi)高精度溫度測(cè)試。

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