基于PT1000的火控系统温度测试技术研究

安志勇，温培培

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

基于PT1000的火控系统温度测试技术研究

安志勇，温培培

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

火控系统功能繁多、技术复杂、工作环境恶劣，要求温度参数精度高，测温范围宽。本文提出了基于PT1000的温度测试方法，设计了火控温度测试系统。文中采用MATLAB对采集的数据线性化处理，使温度计算更加简单；应用IFC算法快速滤除了系统较大温度误差值，实现了数据的精确化处理。实验表明，该火控温度测试系统的精度可达0.2℃，适用于多种高精度温度测试，具有良好的应用价值。

PT1000；线性化处理；IFC算法

0 引言

随着科学技术水平的不断提高，对测温的要求越来越高，虽然高精度、便携式的多点温度测试仪广泛的应用于多种工业自动化测试中，可实现精确温度测试，但其缺点是环境适用性差，数据处理功能单一和实时性较差。

在实际应用中，火控系统具有昼夜观瞄、测距、测角、测向、环境参数探测和榴弹引信装定等功能，由于其功能繁多，技术复杂，工作环境恶劣和火炮热点分布不均，要求工作环境温度参数测试精度高，为了满足火控系统温度测试高分辨率、高精度、实时检测等技术要求，本文开展了基于PT1000的火控系统温度测试研究，为火控系统的研制提供重要的技术支持。

1 温度测试理论分析

热电阻温度传感器被广泛应用于工业测温场合，尤其是铂电阻具有高稳定性和良好的复现性，也用作温度基准仪器［1］，PT1000铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的［2］，可用于高精度、高速度的温度测试中，通常根据阻值求温度的方法有两种，即查表法和计算法，由于系统的测温精度较高，故本文选用计算法，计算法原理为：铂电阻在-200～0℃时，其温度和阻值符合式（1）的函数关系：

（1）式中，RT为温度T时的PT1000阻值；R0为0℃时的铂电阻阻值；A=3.9083×10-3℃-1；B= -5.775×10-7℃-2；C=-4.183×10-12℃-4。

在0～850℃时，其温度和阻值之间关系如式（2）：

同理，根据（1）、（2）式求出其反函数，代入铂电阻阻值，计算出对应阻值的温度值，从而形成了PT1000的热分度表。

本系统测温范围-25℃～+55℃，经查PT1000的分度表对应电阻范围是900Ω～1220Ω，系统选用5V直流电源供电，采集电路将温度信号转化成电流信号，经PT1000温度传感器成电压信号，测温范围对应电压信号为（U下，U上），分别如式（3）、（4）所示：

上、下限电压之差为输出电压最大值约为0.37975V，即为输出电压最大值，为保证测量输入信号能占满分布区间不超电源电压，且便于信号处理，电压至少需放大10倍，即最终经放大电路输出端电压约为3.7975V，若选用10位的A/D转换器，进行电压模数转换，设S为电压分辨率，则S=3.7975/1024= 3.70436mV，假定系统的测温精度N，则

由（5）式求得y≈0.0781249719898＜0.2，从理论上分析，该火控系统温度测试技术研究满足精度要求。

2 测试系统设计

火控温度测试系统以AVR单片机为核心，由多路温度采集、信号处理、AVR单片机系统、保温系统以及上位机温度显示等模块组成，其结构图如图1所示。

多路温度采集模块采集当前的火控系统环境温度，将所得信号经放大滤波处理后，再传送给AVR单片机系统进行A/D转换与IFC处理，处理后的温度送给上位机显示，并控制保温系统进行工作。

图1 系统结构图

2.1 多路温度采集与信号处理模块

系统选用A级工业薄膜铂电阻PT1000温度传感器作为多路温度采集模块的探测器，其电阻系数为正，耐氧化能力较好，测温范围可达到-200℃～650℃［3］，分辨率可达0.1，能够满足系统精确测温的要求。

对于火炮热点分布不均，需采用多路采集温度参数，提高温度测试的实用性和精准性，多路温度采集模块的一路测温原理如图2所示：

图2 多路温度采集模块的一路测温原理图

如图2所示的电路是不平衡电桥电路，故PT1000温度传感器采用三线制接法，目的是消除了部分引线电阻［4］，从而提高测温精度，根据系统测温范围-25℃～+55℃，对应PT1000阻值范围900Ω～1220Ω，电路中R1与PT1000串联起到限流的作用；R3、R4串联作为PT1000的基准；电容C1滤除温度噪声信号；测得U0的电压范围是0～0.35V，根据理论分析，需对U0采用求差放大电路放大10倍，放大后的输出电压U1的范围为0～3.5V，量程变宽，便于测量与读数，为了提高带载能力，放大后的电压经电压跟随器处理后传送给AVR单片机进行A/D转换处理。

2.2 AVR单片机系统模块

根据温度测试理论分析，需选用10位精度的模数转换器，本系统需用ATmega16单片机内部集成了10位精度的逐次逼近型模数转换器（ADC），内建采样/保持电路［5］，能够满足理论计算的精度的要求，ATme-gal6内部自带的ADC具有非线性度0.5LSB，绝对精度±2LSB；转换时间65～260μm；最高分辨率时采样率高15KS/s等优点，能够满足系统功能设计的需求，其AVR单片机系统硬件设计如图3所示。

图3 AVR单片机系统

在图3中，PT1000八路温度采集电路的电压输出端口与ATmeg16的PA0～PA7连接，进行A/D转换；选用12MHz晶振芯片接入单片机，产生稳定的时钟频率，保证单片机的运行速度；RS-232接口电路采用MAX232芯片，实现上下位机的通讯。

2.3 基于IFC算法的数据处理

通常对多路温度数据处理方法为求均值法，为提高测量精度，本系统采用模糊控制（IFC）算法实现数据的精确化处理［6］，其基本原理如图4所示，控制算法分为以下四个步骤。

（1）根据本次采样得到的系统输出值，计算出输入变量；

（2）将输入变量的精确量变为模糊量；

（3）根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；

（4）由上述得到的控制量（模糊量）计算精确的控制量。

图4 IFC原理图

系统采用模糊控制（IFC）算法目的是滤除误差较大的测量值，具体做法是在规定很短周期内获取n个温度的采样值xi（i=1，2，…n），并求出其平均值¯x，具体求法如式（6）：

选取某个测试点的采样值，并求出采样值与平均值的差值Δx，即为

在（7）式中：若|Δx|＞0.2，则舍弃x1，其中0.2为测试精度；若|Δx|＜0.2，则即x1留用作为有用测量数据，x2替换x1，x3替换x2，依次递推，用当前采样的xn替换xn-1，然后用这n-1个新的数值再求，再进行比较，如此周而复始的操作就可以实现滤除误差较大的测量值，达到温度测试的最佳值，此法比常用的求均值法更灵活、更精确。

3 测试结果及数据处理

3.1 测试数据的线性化处理

根据PT1000的热电阻分度表，可知电阻变化与温度变化的基本符合线性变化，在实际应用中可得输出电压变化量与PT1000阻值变化量的对应关系，为了数据处理方便，直接给出温度、PT1000阻值和输出电压三者之间的关系，具体见表1所示。

表1 PT1000阻值与输出电压实测数据

续表

根据表1中测试数据，利用MATLAB软件进行不同类型的线型拟合［7］，分别拟合出了二元、三元以及四元曲线方程，通过观察曲线图的线性度，确定方程选取三元曲线方程较线性较好，故可得到的拟合方程为：

其中，x表示输出的电压值；y1、y2表示输出电压对应的温度值。

为验证其测试精度，在表1中任意选取原始温度值为-25℃，-20℃，-10℃，0℃，20℃，25℃，35℃，45℃，55℃对应的输出电压值分别代入上式（8）、（9）中，计算如表2所示。

表2 原始温度与拟合温度比较

经计算两组模拟温度值与原始温度的误差，（9）式的误差更小一些，其拟合曲线方程图如图5所示。

最终，选择（9）式作为最贴合测量线性化的方程式，通过PT1000阻值的变化，模拟出输出电压值与该时刻温度值的关系，当输出电压值通过A/D转换，便可反推得到温度值，实现精确测温。

图5 多项式拟合曲线图

3.2 实验考核

为验证其测试精度，在湿度、照度等相同的测试条件下，使用高精度测温仪（精度为±0.01℃）与本系统同时对火控系统规定的温度进行测试，分别得到10组测温数据，并计算出两者的绝对差值，具体如表3所示。由表3可以看出，二者绝对差值都低于0.2℃，满足精确测温的要求。

表3 温度测试数据

4 结语

依据火控系统环境测试要求，对火控系统的温度测试方法进行了深入的研究，提出了基于PT1000的火控系统温度测试方法，采用PT1000温度探测器进行火控环境温度数据采集，并设计了AVR单片机系统，对多点采集数据进行处理，利用MATLAB软件对大量数据线性化拟合，简化数据之间的关系更利于计算，应用IFC算法快速滤除了系统较大误差温度值，实现了数据的精确化处理，本文所设计的火控温度测试系统具有高精度，高效率等特点，可广泛应用到其它高精度温度测试中，具有重要的实际应用价值。

［1］ 曹玉强，贾磊.测温系统温度漂移的还原补偿法［J］.计量学报，2003，24（1）：32-35.

［2］ 李殊骁，郝赤，龚兰芳，等.高精度三线制热电阻检测方法研究［J］.仪器仪表学报，2008，29（1）：135-139.

［3］ 贾方秀，丁振良，袁峰，等.激光测距温度控制系统［J］.红外与激光工程，2008，37（6）：1016-1028.

［4］ 田炳丽，胡超，丁风雷.一种提高PT1000铂电阻测温精度的新方法［J］.机电工程，2013，30（5）：603-605.

［5］ 冯为蕾，雷卉，刘玉县，等.基于PID算法和ATmega16单片机的温度控制系统［J］.仪表技术，2010（12）：44-49.

［6］ 武军.利用数字PID控制算法和模糊控制（IFC）算法实现数据采样精确化［J］.自动化博览，2008（3）：52-54.

［7］ 唐家德.基于MATLAB的数据线性化变换［J］.科技广场，2007（5）：44-48.

责任编辑：吴旭云

Research on Tem Perature Test Technology for Fire Control System Based on PT1000

AN Zhiyong，WEN PeiPei
（School of OPtoElectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Fire control system with the features of numerous functions，comPlex technology and Poor working conditions requires high-Precision temPerature Parameters and wide temPerature test range.This PaPer Presents amethod of PT1000-based temPerature test and designs a fire control temPerature test system.MATLAB is used to do linear Processing on collected data，making the temPerature calculation easier；IFC Algorithm is aPPlied to quickly filter the larger temPerature error value of the system，achieving the Precise treatment on the data.ExPeriments show that the accuracy of the fire control temPerature measurement system reaches 0.2℃，which is suitable for a variety of high-Precision temPerature testing，having a good aPPlication value.

PT1000；linearization；IFC Algorithm

TH811

A

1009-3907（2015）06-0008-06

2014-09-08

吉林省重大项目（KYC-JC-XM-2010-059）

安志勇（1943-），男，河北唐山人，教授，博士研究生导师，主要从事光电测控系统与仪器的研究。