多通道高精度温度测量系统

李乳演 陈苏红 谢桂辉

摘  要：为了实现无自旋交换弛豫态（SERF）原子自旋陀螺仪高精准、高稳定的测温目标，文章提出了一种改进的四线制比例测温方法。选用超高精度FRSM金属箔电阻，通过比例测量的方式抑制温漂，同时采用高阶数字滤波器降低噪声，大大提高了系统的测温精度。测试结果表明，该方法的测温精度高达0.01 ℃，漂移量小于0.01 ℃，实现了多通道的温度精确测量，可应用于SERF原子自旋陀螺仪精密测温系统。

关键词：高精度;多通道温度测量;四线制比例测量;LabView

中图分类号：TP216      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0044-04

Multichannel and High-precision Temperature Measurement System

LI Ruyan1，CHEN Suhong1，XIE Guihui2

（1.College of Information Science and Engineering，Wuchang Shouyi University，Wuhan  430064，China;

2.School of Automation，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan  430074，China）

Abstract：In order to achieve the high-precision and high-stability temperature measurement goal on the Spin-Exchange Relaxation-Free（SERF）atomic spin gyroscope，this paper proposes an improved four-wire system proportional temperature measurement method. Ultra-precision FRSM metal foil resistor is selected to suppress temperature drift through proportional measurement. At the same time，high-order digital filter is used to reduce noise and greatly improve the temperature measurement accuracy of the system. The test results show that the temperature measurement accuracy of the method is as high as 0.01 ℃，and the drift is less than 0.01 ℃. It realizes multichannel temperature precision measurement and can be applied to the precision temperature measurement system of SERF atomic spin gyroscope.

Keywords：high-precision;multichannel temperature measurement;four-wire system proportional measurement;LabView

0  引  言

无自旋交换弛豫态（Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF）下，原子密度和信号信噪比大幅度提高，原子自旋陀螺仪感受外界载体微弱角速度的能力明显增强[1]，这种特性使SERF原子自旋陀螺仪成为下一代高精度陀螺仪的重点发展方向之一。但是，要达到高质量SERF态，必须使原子所在的碱金属气室的温度保持高度准确和长期稳定。否则，温度的微弱波动将会引起原子数量及状态的急剧变化，导致原子陀螺仪的精度和灵敏度大幅下降[2]。高精准、高稳定的测温技术是精密控温的基础和前提，也是国内外公认的难点技术，开展相关研究对于实现超高灵敏度惯性测量具有十分重要的价值和意义。

传统测温系统一般采用数字集成式芯片[3]、热电偶[4]、热电阻[5]等方式，测量精度较低，仅为0.2～0.5 ℃。以铂电阻为温度传感器测温精度高、稳定度好，更适用于高精度测温领域[6-9]。在铂电阻测温方法中，采用四線制接线法，通过恒流源驱动铂电阻，将温度测量转换为电压测量的方式能有效消除导线电阻、接触电阻产生的误差，精度高且成本低，应用最为广泛。然而，该方法对恒流源温漂的敏感度高，其测量结果受温度漂移的影响较大，平稳性不好。

为此，本文提出了一种改进的四线制比例测温方法，通过分析四线制比例测量原理，使用高精度、低温漂金属箔电阻作为参考电阻，将其两端的电压作为ADC的参考电压，从而大大降低了温度漂移对测量精度的影响。基于该方法，本文设计了一款多通道高精度测温装置，使用24位精度的ADS124S08芯片作为模数转换器，该芯片内部自带PGA放大器、恒流源和滤波器，大大降低了模拟电路的复杂度。经过ADC转换后的数据被发送至上位机进行高阶数字滤波，降低了噪声，提高了测温的精度。

1  硬件设计方案

1.1  高精度测量电路设计

四线制接线是指在铂电阻的两侧分别接两根引线，为铂电阻提供恒定电流，将电阻变化转换成电压信号，再通过另外两根引线将电压信号引至测量端，这种方法可以避免引线电阻对测温的影响，是一种高精度的测温方法[10]。普通四线制测温系统受电流漂移的影响，测温精度较低，很难达到0.1 ℃量级。

通过对四线制比例测量原理的分析，本文的比例测量方案将VRef部分改为高精度的参考电阻。系统方案框图如图1所示。

根据电路分析，RTD电阻的电压为：

VRTD=RRTD·IEXC                                （1）

又有：

VRTD×GainPGA=VRef·              （2）

GainPGA为PGA的增益，CodeRTD为ADC码，CodeADC_Fullscale为ADC满量程代码。由式（1）和式（2）可得：

（3）

在采用同一激励电流源IEXC的情况下：

VRef=IEXC·RRef                                                        （4）

将式（4）带入式（3）可得：

（5）

当环境温度变化范围为0 ℃～850 ℃时，温度与电阻值之间接近于线性的关系。满足以下函数表达式：

RT=R·（1+AT+BT2）                        （6）

RT为T时刻的电阻值，此时RT=RRTD，电阻初始值、A值、B值均固定不变。由式（5）和式（6）可知，当前温度值只与RRef、PGA及ADC有关。

通过四线制比例测量新方案，将与温度有关的电阻值变成电压信号传送给PGA，对有噪声的信号进行差分放大，然后在LabView上位机程序中采用高阶数字滤波器降低噪声，最后进行高精度AD采样，得到低噪声、低温漂的采样值。

1.2  高精度参考电阻选型

基于上述四线制比例测量方案，选取VISHAY FOIL超高精度FRSM金属箔电阻作为参考电阻RRef，该电阻具有0.01%的初始精度和0.05 ppm/℃（0 ℃～60 ℃）的温度漂移。根据其datasheet可知，该电阻的温度漂移典型值为0.2 ppm/℃，若此时RRef=1 kΩ，ΔT=20 ℃，将产生4 mΩ的漂移，对应的温度漂移量小于0.01 ℃，在最差条件下也能满足漂移量小于0.01 ℃的要求。

1.3  精密ADC选型

考虑到系统要求温度测量精度高、温漂小，因此选用内部集成了PGA的精密ADC，型号为ADS124S08IPBS。如表1所示，在PGAbypassed情况下，增益漂移典型值为0.5 ppm/℃，最大值仅为1 ppm/℃。当IEXC=100 μA、RTD=1.8 kΩ、ΔT= 20 ℃时，将产生3.6 μV的漂移，对应的温度漂移小于0.01 ℃，即在漂移最差的情况下也能满足要求。

另外，系统要求测温分辨率达到0.01 ℃，因此ADC采集的噪声应小于4 μV。由表2 ADS124S08芯片的技术数据手册可知，在Sinc3滤波使能、全局斩波使能、PGA=1、DATA RATE=2.5的情况下，ADC采集的噪声仅有1.2 μV，理论上对应测温分辨率可达0.003 ℃。

ADS124S08IPBS内部集成的PGA具有高增益下高分辨率、低噪声的优点，且增益可编程，动态范围为1～128，无须在每次改变范围时进行定期校准。使用时将PGA配置为差分模式，利用差分放大电路的对称性消除了放大电路在输入端的温度漂移。

2  系统软件设计

为满足技术要求的软件功能的需要，系统软件模块主要分为三层：设备驱动层、数据处理层和人机交互层。设备驱动层位于操作系统核心层，负责本系统中串口数据的收发。数据处理层是一个中间层，负责与设备驱动层的通信以及对人机交互层控制命令的接收、发送和数据传输。人机交互层位于最上层，主要负责解析后温度数据显示、数据源连接状态显示、数据订阅端状态显示、错误信息顯示、用户参数输入等。软件系统原理框图如图2所示。

通道选择部分共设计了8个通道，可以任意选择要显示的通道，并且可以同时显示波形。温度超限报警区域的阈值可以手动设置，当输入的温度超过设置的阈值时，便会调用电脑程序发出警告，对应的模块也会显示橙色。图形缩放部分使用LabView自带的VI，可以放大或缩小某一部分的波形。当数据跳动幅度过大时会被认为是无效的数据，从而被自动过滤掉，并且显示有数据突变（该功能可设置为关闭），即滤波状态显示。此外，还有数据存储的功能，数据可以实时写入以当前日期命名的TXT格式的文件中。

3  测试结果及分析

系统实物如图3所示，测试时只用了通道4和通道8，通道8接温漂电阻（PT1000），通道4接固定电阻（0.2 ppm/℃，2 kΩ，0.01%精度），msp430采集完成之后通过串口与运行着LabView的上位机程序的PC端进行通信。将采集到的数据发送到PC端，并保存为TXT文件。

分析图4及图5可知，接PT1000的测温精度和漂移量低于0.01 ℃的要求，接高精度固定电阻的测温精度和漂移量都达到了0.01 ℃的要求。本系统方案运行结果整体符合设计预期，各指标均达标。

4  结  论

在对四线制比例测量电路原理进行综合分析研究的基础上，设计了一款满足SERF原子自旋陀螺仪高精度导航需求的多通道高精度测温装置。选用VISHAY FOIL超高精度FRSM金属箔电阻作为参考电阻RRef，选用内部集成了PGA的ADS124S08芯片作为精密ADC。通过采样高精密参考电阻电压与铂电阻电压的比值，消除了溫度漂移等因数对电流变化的影响。在LabView上位机程序中采用高阶数字滤波器降低噪声，最后通过高精度ADC对电压信号进行采样，将信号整合之后通过串口传送给PC机，进行数据处理、保存及显示。最终，实现了8通道温度实时采集、显示、绘图、状态监测及数据保存，每秒更新一次数据。测试结果表明，系统运行稳定可靠，测温系统的测温精度高达0.01 ℃，漂移量小于0.01 ℃。该装置适用于SERF原子自旋陀螺仪高精度导航，并为其他实际应用提供参考。

参考文献：

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作者简介：李乳演（1988—），女，汉族，河南平顶山人，中级工程师，硕士，研究方向：嵌入式设计;陈苏红（1983—），女，汉族，江西吉安人，讲师，硕士，研究方向：数据分析;通讯作者：谢桂辉（1988—），男，汉族，湖南衡阳人，讲师，博士，研究方向：物联网。