基于VME总线的高精度温度测量系统的研究与设计

　　1　测量系统方案设计

　　1.1　测量技术方案设计

　　本设计对测温精度的要求是达到±0.005℃,比较现有的温度传感器,标准铂电阻和标准热敏电阻满足设计的要求。而热敏电阻的灵敏度比铂电阻高,在温度微弱变化时,热敏电阻的电阻值变化更大,后端信号调理电路更容易测量微弱温度的变化。因此在本测温方案中,选用热敏电阻作为温度传感器。后端信号调理电路使用恒流源供电电路,热敏电阻温度传感器采用四线制接法。虽然导线电阻相对于热敏电阻来说很小,采用四线制可进一步消除导线电阻的影响。温度测量原理图如图1所示。

　　使用这种温度测量方案,获得最终温度测量结果的过程是:AD数据采集片测量温度传感器上电压的精确值,单板机MV5100读取数据采集片中的测量结果,然后计算出此时温度传感器的电阻值,再利用热敏电阻的Steinhart-Hart方程解出温度值。为了确保电阻温度转换方程的转换精度,对标准高精度热敏电阻在0~60℃的温度范围内进行了高精度的系数标定。直接采用热敏电阻的特性方程计算出被测温度值的方法,可以避免使用非线性校正电路对测量带来的误差,测量过程减少了不必要的外来误差;同时也便于确定测量过程中存在的误差源。

　　1.2　测量系统结构方案设计

　　测量系统要完成高精度的温度测量任务,还要完成对测量结果的数值显示和温度变化曲线的显示。因此本系统分为两个部分:上位机系统和下位机系统,这两部分通过网线连接。上位机提供人机交互界面,并完成测量结果的数值和曲线显示,实现对温度测量参数的设置和对温度测量过程的控制。下位机系统由AD数据采集片V460和单板机MV5100组成,VME总线将两者联系起来。V460采集温度数据,MV5100运行嵌入式操作系统Vxworks,温度测量程序在Vxworks下运行,它们共同完成高精度温度测量任务。测量系统结构如图2所示。

　　2　V460数据采集卡

　　本设计温度数据采集采用的是美国Highland公司的V460数据采集片,此板片是专门为温度测量设计的,各项性能指标满足高精度温度测量的需要。输入通道数有16个,每个输入通道均采用四线制传感器连接方式,每个通道输入阻抗大于1000MΩ,漏电流小于200pA。这样的输入通道性能参数可以保证四线制测量中测量通道对被测电压的影响足够小。采用恒流源驱动和四线制连接方式的温度测量中,恒流源的精度将影响到传感器电阻的测量精度。V460提供了四种恒流源,它们的大小和精度分别为:1μA, 10μA, 100μA和1mA。1μA精度为±0.04%±50×10-6/K,其余恒流源精度为±0.01%±25×10-6/K。