高精度高可靠性的在轨黑体测温电路设计

　　1　引言

　　对地观测系统中,黑体是在轨定标的重要设备,其温度的精确测量由黑体测温电路完成,需要极高的测量精度和稳定性。为此设计了一种高精度、高可靠性的在轨黑体测温电路。其测温范围是-10~50℃,测温精度为±0.1℃,最小分辨率为0.01℃.电路的原理见图1。

　　2　高测温精度的设计思路

　　影响测量精度的因素主要来自:(1)所用测温电阻的测温精度;(2)惠斯通电桥的非线性误差;(3)模拟放大电路的温度漂移和其他共模干扰引起的误差;

　　(4)电路噪声的影响;(5)A/D转换电路的量化误差;

　　(6)CPU运算时浮点数的截断误差。

　　2.1　测温中铂电阻R-T关系数学模型的建立与选择

　　由于铂电阻的精度和灵敏度高,测温范围广,线性度、复现性和稳定度好,因此选取铂电阻Pt-500作温度传感器。但是,由于其阻值与温度之间存在非线性,需要进行考虑分析建立适当的数学模型。实际工程中黑体温度变化范围为:-10~50℃考虑到铂电阻的R-T非线性,根据温度分度表的数据,按照最小二乘逼近的原则进行分段线性拟合。

　　根据表1,按横轴(t)变化情况将曲线分为4段分别进行线性处理,分别为[-10,-1]、[-1,19]、[19,38]、[38,50]4段。则可计算出需要生成的4段直线的理想斜率分别为

　　直线方程为:第1段: R=1.977 67t+499.580 44;第2段: R=1.969 7t+499.580 56;第3段: R=1.9595t+499.767 86;第4段: R=1.951 5t+500.068 93。

　　若直接用一条曲线拟合:R=1.963 91t+499.59262

　　由于温度变化约0.1℃时,铂电阻变化0.2Ω,可见两种线性拟合都符合精度要求

　　2.2　惠斯通电桥非线性分析及对策

　　由于很难使得桥路初始状态精密匹配,因而系统存在一定的非线性误差。同时由于引入运放使电路复杂化,增加了系统可靠性隐患。决定采用传统的惠斯通电桥,并采用如下方法减少误差:(1)选择R₁=R₃>>R₂=R₄;(2)选择合适的U与精密的运放芯片。总之须保证当R₂发生变化时电流变化不大,又保证mV级的ΔU也可被精密放大

　　设R₄=R;R₁=R₃=kR;铂电阻R₂变化范围1~1.25R,则

     基于0.1℃的测温精度要求,若最后要求输出测温电压信号V与铂电阻所测温度T之间的关系不必是线性关系,则可以采用式(1)进行计算;但若要求V与T之间是线性关系,则ΔU′的最大误差|δ|max应小于铂电阻变化0.2Ω(温度变化0.1℃)时ΔU′的相对变化值.