高精度温度测量系统的测温补偿算法研究

　　0　引　言

　　目前,温度控制系统被广泛应用于工农业生产、科学研究和日常生活等众多领域。随着计算机技术的不断进步,温度控制系统正朝着智能化、高精度、多功能、高可靠性及安全性等高科技的方向迅速发展。在军事、航空和航天等一些特殊的应用场合,对温控系统的要求非常高,为了保证核心器件工作的稳定性,需要高精度的温度控制保证其工作环境,而温度测量系统是高精度温度控制系统的重要环节之一,所以,研究如何提高温度测量系统的测温精度具有较强的实际应用价值^[1]。

　　在实际的使用过程中,单纯依靠硬件电路其测温很难达到高精度的要求,同时硬件电路越复杂,系统难以调节而且不够稳定。然而,设计合适的测温补偿算法,能在不增加硬件成本和设计难度的情况下,大大提高温度测量系统的测温精度。

　　1　常用温度测量方案

　　测量电桥是最常见的温度测量方案之一,它结构简单,应用广泛。电桥的原理是把反映温度变化的电阻等参数的变化,通过电桥变换成电压或电流的变化,从而便于信号的放大和处理。

　　从不同的角度出发,可以有不同的方法对电桥进行分类。按电桥的工作状态来分,电桥可分为平衡电桥和不平衡电桥;按供电电源的类型,可以分为恒压源和恒流源电桥;按电桥的工作臂个数来分,电桥可分为单臂、双臂(同向或差动变化)和差动全桥及双桥^[1]。

　　以单臂电桥为例,如图1所示。桥路中U为直流供桥电源电压,R1,R2,R3为电阻元件,R4为热敏电阻器。电桥的电压输出为

　　从式(1)中可以看出:如果电桥某一桥臂阻值发生变化或者供桥电压不稳定等都会对输出造成较大的影响。在实际应用中,由于很难保证实际桥臂元件的阻值与设计值完全吻合,而且,元器件的不同特性、连接线路的电阻、供桥电源的稳定性、人为操作带来的误差等都会影响电桥的输出,从而影响到最终的测量精度,因此,需要对测量的结果进行补偿校正以便达到高精度的输出。

　　测温电路在工作过程中,不可避免地会受到电源稳定性、外部电磁干扰等的影响,因此,A/D转换器采集到的数据会存在一定的噪声。一般测温输出的有用信号均为低频数字信号,所以,设计符合要求的数字低通滤波器,可以实现对输出的温度数字信号中所存在的高频噪声进行有效滤波。

　　针对测温电桥中存在器件特性影响测温精度和温度信号中含有高频噪声等问题,在不增加硬件的基础上运用软件实现温度补偿。通过对测温补偿算法进行研究,采用最小二乘线性拟合的温度标校方案,以此来提高测温精度。最后设计巴特沃思数字低通滤波器对测温信号中存在的高频噪声进行有效滤波。这种方法实现起来简单且非常有效。