高精度温度测量

　　1　引言

　　在大型工件精密几何尺寸测量时,整个系统处于一个变化的温度场内,被测工件的尺寸随温度的变化而变化。若想测得准确的几何尺寸,必须知道环境温度的准确值,以便对测量的结果进行准确修正或为测量提供准确稳定的温度环境。所以,环境温度或工件温度的测量准确与否将直接影响大型工件几何尺寸的测量精度,这时,温度的高精度测量将起着非常关键的作用。

　　2　测量原理

　　2.1　传感器

　　由于大型工件精密几何测量系统中,温度的变化范围是比较小的,基本是在室温下进行。所以,传感器的温度范围若能覆盖0～40℃即可满足要求。在这样的温度范围内,一般热敏电阻都能满足要求,但为了达到较高的精度和较小的响应时间,我们选用了A级薄膜工业铂电阻Pt100。这种铂电阻具有体积小、精度高、响应速度快等特点,非常适用于高精度温度测量场合。我们利用A级薄膜工业铂电阻Pt100作为温敏元件设计了温度传感器,其外形如图1所示,铂电阻的周边用一钢丝通过环氧胶固定,这样既可保证铂电阻应有的响应时间,同时又可以保护传感器的引线不被折断。当铂电阻与工件接触后,铂电阻的阻值随温度的变化而变化,其变化的阻值信号由引线引出。

　　2.2　温度转换电路

　　在温度转换电路中,我们把铂电阻的阻值变化通过运算放大器转换为电压的变化,如图2所示,VR是一个基准电压,给运算放大器A1提供一个合适的工作电压,运算放大器A4给A1提供了负反馈回路,此电路主要是为了减少铂电阻的阻值与温度之间关系的非线性,运算放大器A2与外围元器件构成差分放大电路,再经过A3的低通滤波,最后输出0～2V的电压信号。下面我们介绍一下改善铂电阻的阻值与温度之间非线性关系的原理。

　　铂电阻的温度特性曲线在0～850℃之间为抛物线,方程式如下:

　　从式(14)可以看出,改善后非线性大大降低,二次项的系数约为原系数的0.1倍,在温度为0～40℃之间基本上呈现出良好的线性关系。

　　2.3　电压测量原理

　　温度信号经电压转换电路转换成电压信号后输入到A/D转换器,其原理框图如图3所示。A/D转换器采用4位半的A/D转换器,精度可达0.0001V,转换的结果输入到单片机,经单片机数据处理后,把温度值通过显示器显示出来,从而完成对温度的精密测量。单片机功能强大,数据处理速度快,满足了温度的快速实时测量,使不断变化的温度值将实时地被显示出来。

　　3　误差分析

　　测温误差大致包括仪器标定误差、A/D转换误差、非线性补偿后的残余误差等,下面进行逐项计算。