基于红外技术的超速离心机测温系统研究与设计*

向 阳，刘波峰，张 俊，韩延喆，卓思成，林 卉

（1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082;2.长沙易达仪器有限公司，湖南 长沙 410205）

0 引言

转速在30000r/min以上的离心机被称为超速离心机。当转子高速旋转时，与空气摩擦生热，转子中被分离的样品温度也会随之升高，将会造成样品变质。因此，需要正确地测量转子的实际温度，以保证分离完成后样品的品质。

直接测量旋转中的转子的实际温度比较困难，普通离心机通常是在离心室底部离转子较近的地方安装接触式温度传感器来测量离心室温度，从而间接测出转子温度。而超速离心机离心室则是处在高真空度环境中，传统的接触式测温方法会造成较大的测量误差。本文采用非接触式的红外传感器来直接测量转子的温度。

1 红外测温工作原理

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围发出红外辐射能量。根据普朗克原理，物体辐射能量的大小直接与该物体的温度有关，用公式可以表达为［1，2］

式中P为黑体辐射的能量，δ为史蒂芬—玻耳兹曼常数，ε为物体的辐射率，Tobj为被测物体的绝对温度。

本系统采用热电堆红外传感器，其工作原理是温差电势效应，即同一物体的两端如果有温差，这二端将存在电势差。在热电堆的实际使用中需考虑环境温度对输出的影响，传感器的输出电压可表示为［2］

式中Uobj为传感器输出电压，K为传感器特性因子，ε为物体的辐射率，Tobj为被测物体绝对温度，Tamb为环境绝对温度。

2 离心机红外测温系统原理

超速离心机红外测温系统的系统框图如图1所示。主要包括1）光学系统:通过光阑、滤光片等一系列的光学元件，保证目标最大辐射能量传送到红外传感器，并用以减小传感器的视场角度，增加红外传感器测量的距离系数;2）红外传感器:接收红外热辐射能量并产生一个微弱的电压信号来测出目标温度，同时通过热敏电阻器阻值的变化测出环境温度;3）放大滤波电路:将热电堆电压信号和热敏电阻器信号分别经过放大滤波处理，以便后续采样处理;4）主控制器模块:负责A/D采样，数据处理，与触摸屏的通信;5）触摸显示屏:用于参数设置与温度实时显示。

图1 超速离心机红外测温系统框图Fig 1 Block diagram of infrared temperature measurement system of the ultracentrifuge

3 硬件设计

3.1 红外传感器

离心机红外测温系统采用TS118—3热电堆传感器作为温度采集器件，这种传感器具有响应速度快、高灵敏度的特点，测量范围为－20～+85℃。它是由热电堆和热敏电阻器两部分组成，采用4管脚TO—18封装。

3.2 放大测量电路设计

如图2所示，信号检测部分采集两路信号，一路热敏电阻器信号，一路热电堆信号。热敏电阻器随着环境温度的变化改变阻值，通过电桥放大电路可以将变化的电阻值转换成电压的变化并进行放大输出，并且在放大过程中进行线性化，用来对红外传感器的测量结果进行实时的补偿和修正。

图2 放大电路Fig 2 Amplification circuit

红外传感器信号放大电路的主要作用就是将该微弱电压信号进行无失真的放大和调理，并消除高频噪声的干扰。热电堆电压信号非常微弱，其输出为－1～2 mV，因此，使用斩波稳零式高精度放大器ICL7650构成前置放大器，将热电堆信号放大1000倍。由于放大倍数较大，为了防止自激振荡，采用两级运放进行信号放大，并在每个反馈电阻器上并联一只电容器来进行相位补偿。当离心机转子的温度低于离心室环境温度时，由热电堆的测温原理可知，其输出的电压信号为负。设计中采用了参考电压芯片Ref3012，它可以产生1.25 V的参考电压，通过低漂移运放OP07将传感器的输出信号提升，满足A/D采样的要求。为防止信号变换过程中的干扰信号，在接入A/D前加入了一个二阶低通滤波器，其截止频率为15.915 Hz。

3.3 主控制器芯片

主控芯片作为整个超速离心机电控系统的核心，在离心机工作时要完成繁多的任务，有较高的要求。本文选用了MSP430系列微控制器MSP430F249，用来完成A/D数据采集处理、数据存储、串口通信、控制系统运行等任务。MSP430F249拥有精简的指令集（RISC）结构，丰富的片内资源和超低功耗和强大的数据处理能力。

4 环境温度补偿算法研究与实现

由红外测温的原理可知，热电堆输出电压将随着目标物体与环境温度之间的差值的变化而变化，因此，必须要进行环境温度的补偿才能得到较精确的测量结果。本文通过软件的方法来实现补偿，实现了传感器与微处理器结合的智能传感器系统，从而达到较高的精度，满足超速离心机对温度测量精度的要求。

4.1 环境温度的测量

环境温度的测量由TS118—3内集成了一只热敏电阻器来完成，其输出的电压信号经过相应电桥放大调理后与环境温度变化对应呈线性对应关系。

4.2 一维环境温度补偿算法

一维环境温度补偿算法是在多项式拟合的时候先暂时不考虑环境温度的影响，把不同环境温度下的输出曲线在某一环境温度做多项式拟合，拟合得到的各阶系数适用于整个环境温度范围，只是常数项有不同，然后再根据环境温度的变化来计算出常数项的值［3］。以环境温度为20℃时物体输出特性的拟合公式f（Uobj，20）作为标准，二次项和一次项系数不变，只改变常数项的值。这样就还需要一个函数g（Tamb，20）来计算不同环境温度下测量的物体温度与20℃下测量的物体温度之间的差值，用公式可以表达为

式中Tobj为物体实际温度，Uobj为热电堆输出电压，Tamb为环境温度。使用Matlab拟合出的特性公式为

则将式（4），式（5）代入式（3）可得

拟合的特性曲线如图4所示。

图3 不同环境温度下的目标温度拟合曲线图Fig 3 Temperature fitting curve of target under different temperature

由图3所见，在离心机工作温度范围下的温度拟合效果并不好，最大误差达到了2℃左右，不能符合超速离心机温度测量误差最大为±1℃的要求。因此，需要使用更加精确的补偿算法。

4.3 二维回归分析补偿算法

4.3.1 二维回归分析数学模型

多维回归分析法是数据处理方法之一，由多维回归方程来建立被测目标参量与传感器输出量之间的对应关系，按照最小二乘法用实验中的校准数据计算出均方误差最小条件下的回归方程系数［4］。这样，当测得传感器的输出值时，就可以利用多维回归方程来计算出相应的目标参数。因此可以使用多维回归分析法建立一个二元函数如下

式中Tobj为目标温度，Uamb为热敏电阻器输出信号，Uobj为热电堆输出信号。

使用热敏电阻器输出信号Uamb和热电堆输出信号Uobj来共同计算目标的实际温度Tobj，利用二维回归方程描述为

式中a0，a1，a2，a3，a4，a5为常数项，ε为高阶无穷小。如果能把式中的各常数项系数推导出来，那么目标温度Tobj就可以计算出来了。

4.3.2 各常数项系数的确定

在离心机转子工作温度的范围内确定n个目标温度标定点，在环境温度范围内确定m个环境温度标定点，于是由目标温度与环境温度构成的标准发生器在各个标定点的标准输入值为

对应于上述各个标定点可以得到相应的输出电压值Uambk与Uobjk。这样，相当于在m个不同环境温度状态下进行n次检测标定，经标定获得了m条热电堆输入输出特性曲线。

为确定二次曲面拟合方程式中的常数项，可以根据最小二乘法原理，使求得的系数值满足均方误差最小，即二次曲面拟合方程得到的f（Uambk，Uobjk）与标定点Tobjk之间存在误差，其方差为

式中k=1，2，…m×n。总共有m×n个标定点，其均方误差R应为最小

由式（10）可见，均方误差R是常系数a0～a5的函数，根据多元函数求极值的条件，令下列各偏导为0，即

由上述方程组可以求出各常数项系数，如此二次曲面拟合方程式就完全确定了。利用上述公式可推得曲面的拟合公式为

使用Matlab拟合所得特性曲面如图4所示。

图4 不同环境温度下目标温度拟合曲面图Fig 4 Fitting surface temperature map of target under different temperature

图5显示了各个标定点与拟合曲面之间的关系，从中可以看出各标定数据与拟合计算数据最大误差不超过±0.5℃，符合了超速离心机对温度测量精度的要求。

图5 各标定点与拟合曲面的误差Fig 5 The error between the calibration points and fitting surface

5 发射率的影响

6 结论

本文研究了一种基于红外技术的超速离心机测温系统，完成了系统的整体设计和测量放大电路设计，并通过软件补偿算法，抑制了环境温度与被测体发射率对测温精度的影响。通过仿真实验和实际测试，本系统的温度测量误差不大于±0.6℃，达到了设计要求，并为超速离心机离心室的温度控制提供了先决条件。

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