同模块测温电路的一致性方案

冯思奇，王黎明，常海龙

(中北大学 信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)

在传统的温度测量电路中，由于电路中的电子元件、焊接技术、装配封装存在的差异，会导致电路的一致性问题的存在。往往这些非人为因素原因，被大家忽略掉。这些忽略掉的因素，有些时候会给整个温度测试研究带来问题，直接影响测试结果的高精度和高稳定。即使选用同一批次的元器件，相同的焊接技术，同模块的电路也会存在差异。本文根据上述存在的问题，提出了一种新的方案，结合自身设计温度测试电路的特点，设计出了提高不同电路板测温电路之间的一致性，进一步的提高测试的精度和稳定性。

1 温度的测量现状

近些年来，随着科学技术和制造工艺的不断提高，温度测试技术也得到了不断的发展，多种多样的测试方法技术涌现，根据测温的基本原理，主要可以分为两大类:一种是接触式的测温方法，另一种是非接触测温方法。接触式的方法主要包括:膨胀式的测量，电量式的测量，接触式光电、热色测量等。而非接触测量主要包括:辐射式测量，光谱法测量，激光干涉测量，声波、微波法测量等。传统的热电偶、热电阻测温方法，由于其技术成熟、结构简单、使用方便的特点，在未来的众多领域温度测量中，依然能够广泛地使用。随着新工艺、新材料以及新的技术发展，其应用范围会更加广泛［1］。本温度测试系统就是采用铂电阻Pt100 热电阻测量方法。这种温度测试方法，可以很好满足一般的工业上的温度测试要求。但是很难满足在恶劣环境下(高温、强电磁干扰等)温度测试要求，外界带来的干扰完全可以把有用信号湮没，可测量温度问题带来新的问题和新的挑战。

2 测温系统的一致性设计

在应用方面，传统热电阻和热电偶温度测试系统，为了提高其测量精度，采用两种方式来达到其目的。一是选用高精度的电源，为电桥电路提供高精度的基准电压，这样会大大提高其硬件成本［2，3］。二是通过滑动变阻来调整偏执电压，使其输出为零。这样的处理方式对测温的一致性起到了一定效果，但是没有从根本上解决一致性的问题。解决一致性问题，关键在于放大电路的设计，在应用放大电路时，放大倍数一致的话，从本质上给不同模块同一测温电路解决其一致性问题。为了达到高精度的温度测试要求，本文从二个方面对其进行设计和改造。本文根据实际的测试环境需求，专门设计了满足动力舱内部复杂恶劣的温度测试要求的调理电路，与传统的热电阻测温方法相同，对其进行了扩展优化，不但可以在强电磁干扰环境中正常的工作，而且用硬件电路解决了相同模块温度测试调理电路一致性问题，其中电路优化设计方案也是首次提出，有了很大的创新，使其可以在动力舱内的复杂恶劣的测试环境中，满足测试的需求［4］。系统总体图见图1。

图1 测温系统的总体图

3 一致性电路改善设计

首先对测温系统的电桥电路的基准电压进行改善。选用了AD 公司ADR380 电压基准芯片，该芯片可以把电路中现有的电压+15 V 直接转化成2.048 V，选用该芯片由于利用温度漂移曲率校正技术，可以使电压随温度变化的非线性度降至最小，可以满足高温环境中的温度测试。由于基准芯片初始精度为－5 mV 到+5 mV 之间，存在的误差，为了确保输出的基准电压都为2.048 V，选用双运放op285，构造两级反向比例电路，反馈电阻R2 和R4 选用精度为0.1%的5 ppm 的滑动电阻，可以进行适当微调，确保每一块测温系统电桥电路基准电压值为2.048 V，见图2。

图2 高精度电桥基准电压电路

其次，温度测试系统中的放大电路的增益电阻需要改善。本系统的放大电路选用仪表运放AD8429，增益电阻选用低温漂5 ppm 精度都为0.1%固定电阻和滑动变阻，构建放大电路，见图3。

图3 优化后放大电路

增益电阻RG1 和RG2，决定了放大调理电路的输出，由于RG2 为可变电阻，所以可以微调RG2 使得同一测温模块不同电路板的电路具有相同的放大倍数，消除了由于电阻误差而导致的放大倍数不同，从根本上解决的了同模块不同电路板之间的一致性问题［5］。

4 方案的验证分析

首先传感器选用相同带有屏蔽线铠装PT100 铂电阻，将同一模块不同的未经过优化的测试调理电路(共5 块)放入大小为110* 90* 114 的铝制外壳1 内(密闭)，同理将经过优化的同一模块不同的测试调理电路(共5 块)也放入大小为110* 90* 114 的铝制外壳2 内(密闭)，两种铝壳材质和制作工艺都相同［6］。然后将传感器以及铝壳1、2 放入高低温试验箱内，置于相同的温度环境，加热高低温实验箱，分别在30.01 ℃，49.67 ℃，以及65.90 ℃下，用数据采集仪采集调理电路输10 路输出的电压信号，采样频率1 k，时间4.096 s。

把采集后的数据经过Matlab 处理，绘制出了电压信号的输出波形。

首先将铝盒1 内，未经过优化的测温模块电路，共5 块，绘制出波形，得到图4。

图4 未经过优化测温模块的一致性总图

从图中可以看出在不同的温度下，输出大体相同，但是有40 mV 的误差，可以看出每块板子的放大增益倍数不同。给高精度的测量带来了较大的误差。

其次，把不同温度下的未经过优化的相同模块测温电路图形放大，得到图5。

图5 未经过优化测温模块的一致性子图

从图中可以清楚地看出，5 路电压信号存在的较大的误差，20 mV 至40 mV 之间，以4 号测温板为例，30.01 ℃时，位于子图1 的最下面;49.67 ℃时，位于子图2 的中间;65.90 ℃时，位于子图3 的最上面，可以清楚地看出其增益倍数明显的高于其它4 路。说明由于增益电阻不同从而导致增益放大倍数的不同。

最后，把铝盒2 内的经过优化的同模块的测温电路，共5 块，绘制出不同温度下的输出电压波形，见图6。

图6 经过优化的同模块测温电路一致性子图

从图中，可以的明显地看出5 块电路板之间的输出电压误差控制在5 mV 内，输出的电压波形很接近。

通过对比实验，现在铝盒2 内的输出电压的一致性，明显优于铝盒1 内，达到了较好的效果，，整体的性能比原来的提高了4 到8 倍，可以充分的满足高精度测量要求。

5 结束语

本文通过介绍一种通过硬件的方法解决了同一测温模块不同电路的一致性问题，出于对高温以及强电磁干扰恶劣的测试环境的考虑，设计出了能够在恶劣环境下有效改善，降低干扰的测温模块电路，提高了测量精度，同时通过改善基准电压以及放大增益倍数，较好地解决了输出信号的一致性问题，使得整体的性能又有了5～8 倍的提高，比传统的方法，降低成本，具有很大的创新，为今后研究同模块不同电路一致性问题提供了一种有效的方法，满足了动力舱内高精度温度测试。

［1］杨永军.温度测量技术现状和发展概述［J］.计测技术，2009(4):62－63.

［2］龚瑞昆，李静源，张冰.高精度铂电阻测温系统的实现［J］.仪表技术，2008(7):7－10.

［3］张修太，胡雪惠，翟亚芳，等.基于PT100 的高精度温度采集系统设计与实验研究［J］.传感技术学报，2010，23(6):813－815.

［4］王龙，李晓晖，许广文，等.高精度铂电阻测温仪的设计与实现［J］.工业仪表与自动化装置，2013(6):2－3.

［5］马毅，张宏宇.多路铂电阻测温系统设计［J］.电子测量技术，2012，35(7):87－89.

［6］Liu Liya，Li Huirong，Dong Jiaxin.A Fixing Device for Temperature Test of Gas Phase in Cigarette［J］.Computing Control and Industrial Engineering，2013(4):17－19.