戚勵(lì)文，任育峰，何 吉，戈亦余

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫）

引言

紅外測溫系統(tǒng)屬于非接觸式測溫，響應(yīng)時(shí)間短、測量范圍廣、不會(huì)對(duì)溫度場分布造成影響，通常用于人體溫度測量[1]。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)快速發(fā)展，基于MEMS 芯片的熱電堆紅外傳感器在更多領(lǐng)域如電力、智能家居、交通、機(jī)械、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

王楷群等從5 個(gè)方面表述了對(duì)熱電堆紅外探測器性能的影響[3]。趙斌等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成17.4 ℃室溫下測量距離影響因素的溫度補(bǔ)償[4]。隋修寶等分析了內(nèi)部環(huán)境溫度在-10 ℃～40 ℃的緩慢漂移以及振蕩使關(guān)鍵偏置電壓產(chǎn)生毫伏級(jí)漂移特性[5]。王志國等也通過自研的紅外熱像儀為硬件進(jìn)行測溫定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，對(duì)目標(biāo)發(fā)射率和大氣透過率等影響因素對(duì)測溫定標(biāo)的影響進(jìn)行了分析[6]。本研究主要研究期間工作的環(huán)境溫度在10～80 ℃之間較快變化條件下，傳感器模塊測量在30～120℃基準(zhǔn)溫度的校準(zhǔn)方法。

1 原理與設(shè)計(jì)

熱電堆傳感器基本工作原理是塞貝克效應(yīng)，特定材料吸收物體紅外輻射，由于不同材料的塞貝克系數(shù)不同，通過材料冷熱端產(chǎn)生的電勢差可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)溫度值。紅外測溫容易受到被測物體表面發(fā)射率、吸收率、大氣透射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、測量距離等因素的影響；另外還有器件自身的因素，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能老化，傳感器內(nèi)部器件轉(zhuǎn)移效率不一致，掩膜誤差缺陷、信號(hào)電荷放大運(yùn)輸不一致,傳感器內(nèi)部元器件對(duì)環(huán)境變化敏感度不同，都會(huì)存在溫漂現(xiàn)象。為了確保傳感器在各類應(yīng)用場景測溫準(zhǔn)確性，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)針對(duì)該場景的標(biāo)定和校準(zhǔn)，以保證產(chǎn)品測量的穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)使用場景設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，見圖1，確定黑體校準(zhǔn)源為目標(biāo)溫度，如果黑體放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部，箱內(nèi)溫度變化會(huì)對(duì)黑體基準(zhǔn)溫度造成影響，故將其放置在25 ℃/濕度30%～40%的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)（溫箱外）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用設(shè)備包括高低溫箱、探頭、黑體校準(zhǔn)源、紅外測溫槍等測溫工具。將設(shè)備按照?qǐng)D示搭建，注意將探頭和硅片就近固定好，將信號(hào)處理模塊板完全置于箱體內(nèi)部，保證探頭NTC 測試點(diǎn)暴露于測試環(huán)境并能及時(shí)反映工作環(huán)境變化時(shí)的工作狀態(tài)。溫箱按照10～80℃逐步升溫，并保證每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間超過15 min。校準(zhǔn)源溫度設(shè)置30～120 ℃（10 ℃/組）。探頭距校準(zhǔn)源表面約15 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案示意

實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)類型見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表格第1 列是被測物的測量碼值，第2 列為環(huán)境碼值。后對(duì)其進(jìn)行異常值、去重、缺失值處理等操作，得到約4 萬條可用數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析和公式擬合

本方案中原始數(shù)據(jù)表示為測得的目標(biāo)溫度碼值和NTC 器件采集的器件環(huán)境溫度碼值，圖2 為目標(biāo)值為30 ℃和40 ℃條件下，實(shí)際測試得到的目標(biāo)碼值和環(huán)境溫度碼值的趨勢圖。

圖2 測量目標(biāo)和環(huán)境溫度關(guān)系

圖2 中曲線①和②分別是目標(biāo)溫度在33 ℃和123 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得的目標(biāo)碼值曲線，③和④為兩個(gè)目標(biāo)溫度測量過程中的環(huán)境溫度碼值變化曲線。可看出熱電堆傳感器的測量穩(wěn)定性較好，在相同溫度變化條件下，測得的碼值具有相對(duì)固定的碼值差異范圍。

我們的目的是通過模型擬合得到目標(biāo)溫度和測量值和溫度值的相互關(guān)系，并對(duì)測量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍǔＳ校翰楸矸?、線性插值法、計(jì)算法、最小二乘多項(xiàng)式擬合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。其中查表法是將測量值和采集碼值進(jìn)行對(duì)應(yīng)，需要建立龐大存儲(chǔ)容量的關(guān)系表格，環(huán)境溫度越高，關(guān)系表格越復(fù)雜，數(shù)據(jù)量也會(huì)越大。線性插值法類似于查表法，不同的是線性插值法將采集數(shù)據(jù)分段線性化，通過分段的直線對(duì)應(yīng)碼值，再用插值計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)測量值，線性插值法與查表法一樣需要較大的數(shù)據(jù)量。計(jì)算法需要給器件建立確定的關(guān)系式，該式表達(dá)的是傳感器特性，計(jì)算法需要較高運(yùn)算速率，且對(duì)傳感器一致性要求較高。最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最優(yōu)的函數(shù)匹配，這需要構(gòu)造一個(gè)多元線性方程組，解出方程的唯一解帶入多項(xiàng)式，可以擬合出一個(gè)多項(xiàng)式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是更為理想的數(shù)據(jù)擬合法，他為非線性且不確定的數(shù)學(xué)建模提供新思路，但其同樣對(duì)運(yùn)算速率有較高要求[7-8]。本方案要在32 位單片機(jī)上完成該任務(wù)，可以采用最小二乘多項(xiàng)式擬合，該方法擬合出的多項(xiàng)式容易用代碼實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過補(bǔ)償也可達(dá)到較高精度。

將不同環(huán)境溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)從低到高排列，這樣在數(shù)據(jù)擬合時(shí)環(huán)境溫度變化過程對(duì)實(shí)際采樣的影響因素也能同步考慮進(jìn)去，處理后數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，效果見圖3。

圖3 擬合效果

圖3 中曲線②為測試選取的10 個(gè)溫度點(diǎn)擬合得到的預(yù)測值，曲線①的線段表示目標(biāo)溫度。該結(jié)果曲線僅在某些溫度點(diǎn)的表現(xiàn)靠近目標(biāo)溫度值，有部分?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)的值都很大，并且在數(shù)據(jù)的不同區(qū)間表現(xiàn)得差異不同，最終溫度點(diǎn)曲線表現(xiàn)不夠平滑，根據(jù)以上數(shù)據(jù)表現(xiàn)特點(diǎn)，嘗試將原始數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后再進(jìn)行分析。取對(duì)數(shù)之后不會(huì)改變數(shù)據(jù)的性質(zhì)和相關(guān)關(guān)系，但壓縮了變量的尺度，可以使數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，也削弱了模型的共線性、異方差性等。表2 展示了本次模型的分析結(jié)果，包括模型的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)、t 值、VIF 值、R2、調(diào)整R2等，用于模型的檢驗(yàn)，并分析模型的公式，圖4 為本次擬合效果。

圖4 擬合效果

表2 輸出結(jié)果：最小二乘線性回歸分析結(jié)果

從F 檢驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，顯著性P 值為0.000***，***代表1%的顯著性水平，拒絕回歸系數(shù)為0 的原假設(shè)，因此模型基本滿足要求。對(duì)于變量共線性表現(xiàn)，VIF 全部小于10，因此模型沒有多重共線性問題,模型構(gòu)建良好模型的公式如下:

式中：Y 為預(yù)測值；X測量為目標(biāo)溫度測量碼值；X環(huán)境為熱電堆工作環(huán)境溫度碼值。

2.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

根據(jù)公式（1），對(duì)30～130 ℃溫度范圍隨機(jī)采集樣本進(jìn)行驗(yàn)證，隨機(jī)數(shù)據(jù)驗(yàn)證見表3。

表3 隨機(jī)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

表3 羅列了隨機(jī)抽取的黑體基準(zhǔn)溫度在30～120 ℃的10 組數(shù)據(jù)，校驗(yàn)得到預(yù)測值和誤差均符合預(yù)期。

3 結(jié)論

熱電堆紅外測溫系統(tǒng)前端溫度校準(zhǔn)是設(shè)備出廠的必須工序，溫度校準(zhǔn)通?？紤]環(huán)境溫度、發(fā)射率、測試距離等影響因素，可根據(jù)使用場景進(jìn)行針對(duì)性校準(zhǔn)。本研究針對(duì)使用場景設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究環(huán)境溫度在10～80 ℃范圍持續(xù)變化的情況下，目標(biāo)溫度范圍在30～120 ℃的溫漂校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)將精度控制在±3℃以內(nèi)的目標(biāo)。本研究采用了最小二乘多項(xiàng)式方法，對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理，利用算法模型進(jìn)行了公式擬合，最終得到校準(zhǔn)公式。后將根據(jù)設(shè)備使用情況，在實(shí)際應(yīng)用場景中進(jìn)行測試驗(yàn)證和參數(shù)調(diào)整。