多通道高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)

李乳演 陳蘇紅 謝桂輝

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)無(wú)自旋交換弛豫態(tài)（SERF）原子自旋陀螺儀高精準(zhǔn)、高穩(wěn)定的測(cè)溫目標(biāo)，文章提出了一種改進(jìn)的四線制比例測(cè)溫方法。選用超高精度FRSM金屬箔電阻，通過(guò)比例測(cè)量的方式抑制溫漂，同時(shí)采用高階數(shù)字濾波器降低噪聲，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)溫精度。測(cè)試結(jié)果表明，該方法的測(cè)溫精度高達(dá)0.01 ℃，漂移量小于0.01 ℃，實(shí)現(xiàn)了多通道的溫度精確測(cè)量，可應(yīng)用于SERF原子自旋陀螺儀精密測(cè)溫系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：高精度;多通道溫度測(cè)量;四線制比例測(cè)量;LabView

中圖分類號(hào)：TP216? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）01-0044-04

Multichannel and High-precision Temperature Measurement System

LI Ruyan1，CHEN Suhong1，XIE Guihui2

（1.College of Information Science and Engineering，Wuchang Shouyi University，Wuhan? 430064，China;

2.School of Automation，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan? 430074，China）

Abstract：In order to achieve the high-precision and high-stability temperature measurement goal on the Spin-Exchange Relaxation-Free（SERF）atomic spin gyroscope，this paper proposes an improved four-wire system proportional temperature measurement method. Ultra-precision FRSM metal foil resistor is selected to suppress temperature drift through proportional measurement. At the same time，high-order digital filter is used to reduce noise and greatly improve the temperature measurement accuracy of the system. The test results show that the temperature measurement accuracy of the method is as high as 0.01 ℃，and the drift is less than 0.01 ℃. It realizes multichannel temperature precision measurement and can be applied to the precision temperature measurement system of SERF atomic spin gyroscope.

Keywords：high-precision;multichannel temperature measurement;four-wire system proportional measurement;LabView

0? 引? 言

無(wú)自旋交換弛豫態(tài)（Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF）下，原子密度和信號(hào)信噪比大幅度提高，原子自旋陀螺儀感受外界載體微弱角速度的能力明顯增強(qiáng)[1]，這種特性使SERF原子自旋陀螺儀成為下一代高精度陀螺儀的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。但是，要達(dá)到高質(zhì)量SERF態(tài)，必須使原子所在的堿金屬氣室的溫度保持高度準(zhǔn)確和長(zhǎng)期穩(wěn)定。否則，溫度的微弱波動(dòng)將會(huì)引起原子數(shù)量及狀態(tài)的急劇變化，導(dǎo)致原子陀螺儀的精度和靈敏度大幅下降[2]。高精準(zhǔn)、高穩(wěn)定的測(cè)溫技術(shù)是精密控溫的基礎(chǔ)和前提，也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的難點(diǎn)技術(shù)，開展相關(guān)研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)超高靈敏度慣性測(cè)量具有十分重要的價(jià)值和意義。

傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)一般采用數(shù)字集成式芯片[3]、熱電偶[4]、熱電阻[5]等方式，測(cè)量精度較低，僅為0.2～0.5 ℃。以鉑電阻為溫度傳感器測(cè)溫精度高、穩(wěn)定度好，更適用于高精度測(cè)溫領(lǐng)域[6-9]。在鉑電阻測(cè)溫方法中，采用四線制接線法，通過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)鉑電阻，將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量的方式能有效消除導(dǎo)線電阻、接觸電阻產(chǎn)生的誤差，精度高且成本低，應(yīng)用最為廣泛。然而，該方法對(duì)恒流源溫漂的敏感度高，其測(cè)量結(jié)果受溫度漂移的影響較大，平穩(wěn)性不好。

為此，本文提出了一種改進(jìn)的四線制比例測(cè)溫方法，通過(guò)分析四線制比例測(cè)量原理，使用高精度、低溫漂金屬箔電阻作為參考電阻，將其兩端的電壓作為ADC的參考電壓，從而大大降低了溫度漂移對(duì)測(cè)量精度的影響?；谠摲椒?，本文設(shè)計(jì)了一款多通道高精度測(cè)溫裝置，使用24位精度的ADS124S08芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片內(nèi)部自帶PGA放大器、恒流源和濾波器，大大降低了模擬電路的復(fù)雜度。經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行高階數(shù)字濾波，降低了噪聲，提高了測(cè)溫的精度。

1? 硬件設(shè)計(jì)方案

1.1? 高精度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

四線制接線是指在鉑電阻的兩側(cè)分別接兩根引線，為鉑電阻提供恒定電流，將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)另外兩根引線將電壓信號(hào)引至測(cè)量端，這種方法可以避免引線電阻對(duì)測(cè)溫的影響，是一種高精度的測(cè)溫方法[10]。普通四線制測(cè)溫系統(tǒng)受電流漂移的影響，測(cè)溫精度較低，很難達(dá)到0.1 ℃量級(jí)。

通過(guò)對(duì)四線制比例測(cè)量原理的分析，本文的比例測(cè)量方案將VRef部分改為高精度的參考電阻。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

根據(jù)電路分析，RTD電阻的電壓為：

VRTD=RRTD·IEXC? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

又有：

VRTD×GainPGA=VRef·? ? ? ? ? ? ? （2）

GainPGA為PGA的增益，CodeRTD為ADC碼，CodeADC_Fullscale為ADC滿量程代碼。由式（1）和式（2）可得：

（3）

在采用同一激勵(lì)電流源IEXC的情況下：

VRef=IEXC·RRef? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

將式（4）帶入式（3）可得：

（5）

當(dāng)環(huán)境溫度變化范圍為0 ℃～850 ℃時(shí)，溫度與電阻值之間接近于線性的關(guān)系。滿足以下函數(shù)表達(dá)式：

RT=R·（1+AT+BT2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

RT為T時(shí)刻的電阻值，此時(shí)RT=RRTD，電阻初始值、A值、B值均固定不變。由式（5）和式（6）可知，當(dāng)前溫度值只與RRef、PGA及ADC有關(guān)。

通過(guò)四線制比例測(cè)量新方案，將與溫度有關(guān)的電阻值變成電壓信號(hào)傳送給PGA，對(duì)有噪聲的信號(hào)進(jìn)行差分放大，然后在LabView上位機(jī)程序中采用高階數(shù)字濾波器降低噪聲，最后進(jìn)行高精度AD采樣，得到低噪聲、低溫漂的采樣值。

1.2? 高精度參考電阻選型

基于上述四線制比例測(cè)量方案，選取VISHAY FOIL超高精度FRSM金屬箔電阻作為參考電阻RRef，該電阻具有0.01%的初始精度和0.05 ppm/℃（0 ℃～60 ℃）的溫度漂移。根據(jù)其datasheet可知，該電阻的溫度漂移典型值為0.2 ppm/℃，若此時(shí)RRef=1 kΩ，ΔT=20 ℃，將產(chǎn)生4 mΩ的漂移，對(duì)應(yīng)的溫度漂移量小于0.01 ℃，在最差條件下也能滿足漂移量小于0.01 ℃的要求。

1.3? 精密ADC選型

考慮到系統(tǒng)要求溫度測(cè)量精度高、溫漂小，因此選用內(nèi)部集成了PGA的精密ADC，型號(hào)為ADS124S08IPBS。如表1所示，在PGAbypassed情況下，增益漂移典型值為0.5 ppm/℃，最大值僅為1 ppm/℃。當(dāng)IEXC=100 μA、RTD=1.8 kΩ、ΔT= 20 ℃時(shí)，將產(chǎn)生3.6 μV的漂移，對(duì)應(yīng)的溫度漂移小于0.01 ℃，即在漂移最差的情況下也能滿足要求。

另外，系統(tǒng)要求測(cè)溫分辨率達(dá)到0.01 ℃，因此ADC采集的噪聲應(yīng)小于4 μV。由表2 ADS124S08芯片的技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，在Sinc3濾波使能、全局?jǐn)夭ㄊ鼓?、PGA=1、DATA RATE=2.5的情況下，ADC采集的噪聲僅有1.2 μV，理論上對(duì)應(yīng)測(cè)溫分辨率可達(dá)0.003 ℃。

ADS124S08IPBS內(nèi)部集成的PGA具有高增益下高分辨率、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，且增益可編程，動(dòng)態(tài)范圍為1～128，無(wú)須在每次改變范圍時(shí)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。使用時(shí)將PGA配置為差分模式，利用差分放大電路的對(duì)稱性消除了放大電路在輸入端的溫度漂移。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為滿足技術(shù)要求的軟件功能的需要，系統(tǒng)軟件模塊主要分為三層：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)處理層和人機(jī)交互層。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層位于操作系統(tǒng)核心層，負(fù)責(zé)本系統(tǒng)中串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)處理層是一個(gè)中間層，負(fù)責(zé)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的通信以及對(duì)人機(jī)交互層控制命令的接收、發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸。人機(jī)交互層位于最上層，主要負(fù)責(zé)解析后溫度數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)源連接狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)訂閱端狀態(tài)顯示、錯(cuò)誤信息顯示、用戶參數(shù)輸入等。軟件系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

通道選擇部分共設(shè)計(jì)了8個(gè)通道，可以任意選擇要顯示的通道，并且可以同時(shí)顯示波形。溫度超限報(bào)警區(qū)域的閾值可以手動(dòng)設(shè)置，當(dāng)輸入的溫度超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)，便會(huì)調(diào)用電腦程序發(fā)出警告，對(duì)應(yīng)的模塊也會(huì)顯示橙色。圖形縮放部分使用LabView自帶的VI，可以放大或縮小某一部分的波形。當(dāng)數(shù)據(jù)跳動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)會(huì)被認(rèn)為是無(wú)效的數(shù)據(jù)，從而被自動(dòng)過(guò)濾掉，并且顯示有數(shù)據(jù)突變（該功能可設(shè)置為關(guān)閉），即濾波狀態(tài)顯示。此外，還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)寫入以當(dāng)前日期命名的TXT格式的文件中。

3? 測(cè)試結(jié)果及分析

系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示，測(cè)試時(shí)只用了通道4和通道8，通道8接溫漂電阻（PT1000），通道4接固定電阻（0.2 ppm/℃，2 kΩ，0.01%精度），msp430采集完成之后通過(guò)串口與運(yùn)行著LabView的上位機(jī)程序的PC端進(jìn)行通信。將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端，并保存為TXT文件。

分析圖4及圖5可知，接PT1000的測(cè)溫精度和漂移量低于0.01 ℃的要求，接高精度固定電阻的測(cè)溫精度和漂移量都達(dá)到了0.01 ℃的要求。本系統(tǒng)方案運(yùn)行結(jié)果整體符合設(shè)計(jì)預(yù)期，各指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

4? 結(jié)? 論

在對(duì)四線制比例測(cè)量電路原理進(jìn)行綜合分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款滿足SERF原子自旋陀螺儀高精度導(dǎo)航需求的多通道高精度測(cè)溫裝置。選用VISHAY FOIL超高精度FRSM金屬箔電阻作為參考電阻RRef，選用內(nèi)部集成了PGA的ADS124S08芯片作為精密ADC。通過(guò)采樣高精密參考電阻電壓與鉑電阻電壓的比值，消除了溫度漂移等因數(shù)對(duì)電流變化的影響。在LabView上位機(jī)程序中采用高階數(shù)字濾波器降低噪聲，最后通過(guò)高精度ADC對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，將信號(hào)整合之后通過(guò)串口傳送給PC機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存及顯示。最終，實(shí)現(xiàn)了8通道溫度實(shí)時(shí)采集、顯示、繪圖、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)保存，每秒更新一次數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫精度高達(dá)0.01 ℃，漂移量小于0.01 ℃。該裝置適用于SERF原子自旋陀螺儀高精度導(dǎo)航，并為其他實(shí)際應(yīng)用提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：李乳演（1988—），女，漢族，河南平頂山人，中級(jí)工程師，碩士，研究方向：嵌入式設(shè)計(jì);陳蘇紅（1983—），女，漢族，江西吉安人，講師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)分析;通訊作者：謝桂輝（1988—），男，漢族，湖南衡陽(yáng)人，講師，博士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。