CN106932121A - 一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，包括：中央控制单元(1)、数据采集单元(2)、数据处理单元(3)、标准测温单元(4)、传感器标定单元(5)、温度调节单元(6)。本发明标定过程中不需要人工干预，实现了“一键操作、无人值守”；缩短了标定时间，并可同时标定93个传感器，提高了标定效率；避免了人工标定过程中重复接线、反复读数、记录数据等过程，节省人力，降低成本；避免了标定过程中人为因素的影响，保证了传感器标定精度和实验结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电子计量技术领域，特别涉及一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置。
背景技术
高超声速飞行器在大气中飞行时其头部会形成强激波，由于空气粘性的作用，飞行器周围的空气会在短时间内被加热到几千度，甚至上万度。在如此高温的流场中，热传导和热辐射等作用会使得飞行器表面的温度骤然升高，使飞行器的表面产生烧蚀现象，威胁飞行器及人员的安全。因此，在高超声速飞行器模型的地面风洞实验中，其表面瞬态热流率测量是一项重要的工作。目前铂薄膜电阻热流传感器具有灵敏度高、响应时间短的优势，是瞬态热流率测量中常用的方法。使用铂薄膜电阻热流传感器进行测量之前需要对其温度系数进行标定，标定精度影响热流的测量精度，从而影响飞行器的设计。传统的标定方式是完全通过手工完成的，将传感器置于浴槽中，通过水银温度计读取温度值，当到达指定的标定温度时利用万用表读取铂薄膜电阻传感器的电阻值，并记录在实验纸上；得到所有温度点的电阻值后将数据输入计算机进行处理。手工标定方式需要大量的接线、数据记录和输入工作，费时费力，劳动强度大。在读取水银温度计温度、数据记录和输入过程中，人为因素带来的数据误差不可避免。另外，由于测量和记录时间较长，可能带来温度漂移引起的误差，最终标定精度不可能太高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，能够实现参数的自动采集、记录和数据处理，并自动生成标定报告，有效避免人为因素的影响，节省人力和时间，提高标定精度。
本发明的技术方案是：一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，包括：中央控制单元、数据采集单元、数据处理单元、标准测温单元、传感器标定单元、温度调节单元；
所述中央控制单元用于控制所述数据采集单元实现铂薄膜电阻传感器阻值的采集工作，控制所述标准测温单元实现对所述传感器标定单元内部温度的测量，控制所述温度调节单元调节恒温浴槽的温度；
所述数据采集单元用于连接待标定的铂薄膜电阻热流传感器，并为铂薄膜电阻热流传感器提供2mA基准电流，再通过测量铂薄膜电阻热流传感器两端的电压，得到铂薄膜电阻热流传感器的电阻值；
所述数据处理单元用于采用最小二乘法处理标定结束后的数据，计算铂薄膜电阻传感器的零度阻值、温度灵敏度系数、相关系数和标准差,并将处理结果用图表方式显示；
所述标准测温单元用于测量所述传感器标定单元内的实时温度，进行标定时，三支高精度铂电阻PT100传感器与待标定的铂薄膜电阻热流传感器共同放置在所述传感器标定单元内，当所述传感器标定单元内温度与恒温浴槽温度平衡时，开始铂薄膜电阻传感器阻值的采集和记录；接收中央控制单元传送的启动监测温度信号，并将高精度铂薄膜电阻传感器的温度信号传送给所述中央控制单元及所述数据处理单元；
所述传感器标定单元采用水密封结构，置于所述温度调节单元的恒温浴槽内，用于容纳三支高精度铂电阻PT100传感器与待标定的铂薄膜电阻热流传感器，并实现对铂薄膜电阻热流传感器银浆导线的保护；
所述温度调节单元用于实时调节浴槽温度，待到所述传感器标定单元内部温度将与恒温浴槽温度达到平衡状态时，从而实现铂薄膜电阻热流传感器激励温度的调节，并可长时间保持浴槽温度恒定。
更进一步地，所述数据采集单元包括：用于为传感器提供2mA直流单元的恒流源模块，用于提供96路通道的程控开关模块，用于将铂薄膜电阻热流传感器两端的电压信号进行放大的程控放大模块，用于将传感器两端电压模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块(24)。
更进一步地，所述中央控制单元包括：温度调节控制模块、标准测温控制模块、数据采集控制模块、数据实时显示模块、数据处理模块；所述温度调节控制模块用于控制所述温度调节单元的温度，使用RS232通讯协议互联，波特率为9600，数据格式设定为无校验位、8位数据位、1位停止位；所述温度调节控制模块按照设置的标定温度范围、温度调节步长参数，计算下一标定温度，与当前标定温度值对比，控制所述温度调节单元进行制冷或加热动作，并传送温度监测指令给所述标准测温控制模块；所述标准测温控制模块用于控制所述标准测温单元，监测所述传感器标定单元内的温度变化；所述标准测温控制模块的数据传输占用所述数据采集单元的94、95、96通道实现，接收温度监测指令后，所述标准测温控制模块按照设定的时间间隔读取所述标准测温单元测量得到的所述传感器标定单元内的温度值，并与标定温度进行对比，当温度平衡时，输出温度平衡指令给数据采集控制模块；所述数据采集控制模块用于控制所述数据采集单元进行铂薄膜电阻热流传感器两端电压信号的数据采集工作，采用USB通讯协议；所述数据采集控制模块接收到温度平衡指令后，控制所述程控开关模块依次将所述恒流源模块提供的2mA直流信号加载在铂薄膜电阻热流传感器两端，并根据测量信号的幅值改变所述程控放大模块的放大倍数，最后控制所述A/D转换模块将电压模拟信号转换为数字信号，并按照USB通讯协议将测量数据传输至所述数据处理模块；所述数据采集控制模块控制所述数据采集单元循环16次数据采集过程，循环结束后输出采集结束指令给所述数据处理控制模块；所述数据实时显示模块用于显示设备状态、标定进度、标定温度，以及所述传感器标定单元内部温度信息及铂薄膜电阻热流传感器各标定温度下的阻值；阻值显示时，96路采集通道分为12个选项卡，每选项卡显示8个通道，实现显示数据的快速切换；所述数据处理控制模块用于控制所述数据处理单元对铂薄膜电阻热流传感器的测量结果进行处理，接收到采集结束指令后，所述数据处理控制模块启动所述数据处理单元按照最小二乘法原理对测量结果进行拟合，计算铂薄膜电阻热流传感器的零度阻值、温度灵敏度系数、相关系数和标准差，数据处理结束后自动保存处理结果及铂薄膜电阻热流传感器各标定温度下的阻值。
更进一步地，所述温度调节单元的温度调节采用恒温浴槽实现，可以加热与制冷并保持温度长时间恒定，温度调节范围为-30～200℃，控制精度为±0.01℃。
本发明标定过程中不需要人工干预，实现了“一键操作、无人值守”；缩短了标定时间，并可同时标定93个传感器，提高了标定效率；避免了人工标定过程中重复接线、反复读数、记录数据等过程，节省人力，降低成本；避免了标定过程中人为因素的影响，保证了传感器标定精度和实验结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明组成示意图；
图2为本发明数据采集单元组成示意图；
图3为本发明中央控制单元组成示意图。
1--中央控制单元、2--数据采集单元、3--数据处理单元、4--标准测温单元、5--传感器标定单元、6--温度调节单元、11--温度调节控制模块、12--标准测温控制模块、13--数据采集控制模块、14--数据实时显示模块、15--数据处理模块；21--恒流源模块、22--程控开关模块、23--程控放大模块、24--A/D转换模块
具体实施方式
实施例1：参见图1至图3，一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，包括：中央控制单元1、数据采集单元2、数据处理单元3、标准测温单元4、传感器标定单元5、温度调节单元6；
所述中央控制单元1用于控制所述数据采集单元2实现铂薄膜电阻传感器阻值的采集工作，控制所述标准测温单元4实现对所述传感器标定单元5内部温度的测量，控制所述温度调节单元6调节恒温浴槽的温度；
所述数据采集单元2用于连接待标定的铂薄膜电阻热流传感器，并为铂薄膜电阻热流传感器提供2mA基准电流，再通过测量铂薄膜电阻热流传感器两端的电压，得到铂薄膜电阻热流传感器的电阻值；
所述数据处理单元3用于采用最小二乘法处理标定结束后的数据，计算铂薄膜电阻传感器的零度阻值、温度灵敏度系数、相关系数和标准差,并将处理结果用图表方式显示；
所述标准测温单元4用于测量所述传感器标定单元5内的实时温度，进行标定时，三支高精度铂电阻PT100传感器与待标定的铂薄膜电阻热流传感器共同放置在所述传感器标定单元5内，当所述传感器标定单元5内温度与恒温浴槽温度平衡时，开始铂薄膜电阻传感器阻值的采集和记录；接收中央控制单元1传送的启动监测温度信号，并将高精度铂薄膜电阻传感器的温度信号传送给所述中央控制单元1及所述数据处理单元3；
所述传感器标定单元5采用水密封结构，置于所述温度调节单元6的恒温浴槽内，用于容纳三支高精度铂电阻PT100传感器与待标定的铂薄膜电阻热流传感器；并实现对铂薄膜电阻热流传感器银浆导线的保护；
所述温度调节单元6用于实时调节浴槽温度，待到所述传感器标定单元5内部温度将与恒温浴槽温度达到平衡状态时，从而实现铂薄膜电阻热流传感器激励温度的调节，并可长时间保持浴槽温度恒定；所述温度调节单元6的温度调节采用恒温浴槽实现，可以加热与制冷并保持温度长时间恒定，温度调节范围为-30～200℃，控制精度为±0.01℃；
所述数据采集单元2包括：用于为传感器提供2mA直流单元的恒流源模块21，用于提供96路通道的程控开关模块22，用于将铂薄膜电阻热流传感器两端的电压信号进行放大的程控放大模块23，用于将传感器两端电压模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块(24)；
所述中央控制单元1包括：温度调节控制模块11、标准测温控制模块12、数据采集控制模块13、数据实时显示模块14、数据处理模块15；所述温度调节控制模块11用于控制所述温度调节单元6的温度，使用RS232通讯协议互联，波特率为9600，数据格式设定为无校验位、8位数据位、1位停止位；所述温度调节控制模块11按照设置的标定温度范围、温度调节步长参数，计算下一标定温度，与当前标定温度值对比，控制所述温度调节单元6进行制冷或加热动作，并传送温度监测指令给所述标准测温控制模块12；所述标准测温控制模块12用于控制所述标准测温单元4，监测所述传感器标定单元5内的温度变化；所述标准测温控制模块12的数据传输占用所述数据采集单元2的94、95、96通道实现，接收温度监测指令后，所述标准测温控制模块12按照设定的时间间隔读取所述标准测温单元4测量得到的所述传感器标定单元5内的温度值，并与标定温度进行对比，当温度平衡时，输出温度平衡指令给数据采集控制模块13；所述数据采集控制模块13用于控制所述数据采集单元2进行铂薄膜电阻热流传感器两端电压信号的数据采集工作，采用USB通讯协议；所述数据采集控制模块13接收到温度平衡指令后，控制所述程控开关模块22依次将所述恒流源模块21提供的2mA直流信号加载在铂薄膜电阻热流传感器两端，并根据测量信号的幅值改变所述程控放大模块23的放大倍数，最后控制所述A/D转换模块24将电压模拟信号转换为数字信号，并按照USB通讯协议将测量数据传输至所述数据处理模块3；所述数据采集控制模块13控制所述数据采集单元2循环16次数据采集过程，循环结束后输出采集结束指令给所述数据处理控制模块15；所述数据实时显示模块14用于显示设备状态、标定进度、标定温度，以及所述传感器标定单元5内部温度信息及铂薄膜电阻热流传感器各标定温度下的阻值；阻值显示时，96路采集通道分为12个选项卡，每选项卡显示8个通道，实现显示数据的快速切换；所述数据处理控制模块15用于控制所述数据处理单元3对铂薄膜电阻热流传感器的测量结果进行处理，接收到采集结束指令后，所述数据处理控制模块15启动所述数据处理单元3按照最小二乘法原理对测量结果进行拟合，计算铂薄膜电阻热流传感器的零度阻值、温度灵敏度系数、相关系数和标准差，数据处理结束后自动保存处理结果及铂薄膜电阻热流传感器各标定温度下的阻值。
Claims (4)
1.一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，其特征在于，包括：中央控制单元(1)、数据采集单元(2)、数据处理单元(3)、标准测温单元(4)、传感器标定单元(5)、温度调节单元(6)；
所述中央控制单元(1)用于控制所述数据采集单元(2)实现铂薄膜电阻传感器阻值的采集工作，控制所述标准测温单元(4)实现对所述传感器标定单元(5)内部温度的测量，控制所述温度调节单元(6)调节恒温浴槽的温度；
所述数据采集单元(2)用于连接待标定的铂薄膜电阻热流传感器，并为铂薄膜电阻热流传感器提供2mA基准电流，再通过测量铂薄膜电阻热流传感器两端的电压，得到铂薄膜电阻热流传感器的电阻值；
所述数据处理单元(3)用于采用最小二乘法处理标定结束后的数据，计算铂薄膜电阻传感器的零度阻值、温度灵敏度系数、相关系数和标准差,并将处理结果用图表方式显示；
所述标准测温单元(4)用于测量所述传感器标定单元(5)内的实时温度，进行标定时，三支高精度铂电阻PT100传感器与待标定的铂薄膜电阻热流传感器共同放置在所述传感器标定单元(5)内，当所述传感器标定单元(5)内温度与恒温浴槽温度平衡时，开始铂薄膜电阻传感器阻值的采集和记录；接收中央控制单元(1)传送的启动监测温度信号，并将高精度铂薄膜电阻传感器的温度信号传送给所述中央控制单元(1)及所述数据处理单元(3)；
所述传感器标定单元(5)采用水密封结构，置于所述温度调节单元(6)的恒温浴槽内，用于容纳三支高精度铂电阻PT100传感器与待标定的铂薄膜电阻热流传感器,并实现对铂薄膜电阻热流传感器银浆导线的保护；
所述温度调节单元(6)用于实时调节浴槽温度，待到所述传感器标定单元(5)内部温度将与恒温浴槽温度达到平衡状态时，从而实现铂薄膜电阻热流传感器激励温度的调节，并可长时间保持浴槽温度恒定。
2.如权利要求1所述的一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，其特征在于，所述数据采集单元(2)包括：用于为传感器提供2mA直流单元的恒流源模块(21)，用于提供96路通道的程控开关模块(22)，用于将铂薄膜电阻热流传感器两端的电压信号进行放大的程控放大模块(23)，用于将传感器两端电压模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块(24)。
3.如权利要求1所述的一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，其特征在于，所述中央控制单元(1)包括：温度调节控制模块(11)、标准测温控制模块(12)、数据采集控制模块(13)、数据实时显示模块(14)、数据处理模块(15)；
所述温度调节控制模块(11)用于控制所述温度调节单元(6)的温度，使用RS232通讯协议互联，波特率为9600，数据格式设定为无校验位、8位数据位、1位停止位；所述温度调节控制模块(11)按照设置的标定温度范围、温度调节步长参数，计算下一标定温度，与当前标定温度值对比，控制所述温度调节单元(6)进行制冷或加热动作，并传送温度监测指令给所述标准测温控制模块(12)；
所述标准测温控制模块(12)用于控制所述标准测温单元(4)，监测所述传感器标定单元(5)内的温度变化；所述标准测温控制模块(12)的数据传输占用所述数据采集单元(2)的94、95、96通道实现，接收温度监测指令后，所述标准测温控制模块(12)按照设定的时间间隔读取所述标准测温单元(4)测量得到的所述传感器标定单元(5)内的温度值，并与标定温度进行对比，当温度平衡时，输出温度平衡指令给数据采集控制模块(13)；
所述数据采集控制模块(13)用于控制所述数据采集单元(2)进行铂薄膜电阻热流传感器两端电压信号的数据采集工作，采用USB通讯协议；所述数据采集控制模块(13)接收到温度平衡指令后，控制所述程控开关模块(22)依次将所述恒流源模块(21)提供的2mA直流信号加载在铂薄膜电阻热流传感器两端，并根据测量信号的幅值改变所述程控放大模块(23)的放大倍数，最后控制所述A/D转换模块(24)将电压模拟信号转换为数字信号，并按照USB通讯协议将测量数据传输至所述数据处理模块(3)；所述数据采集控制模块(13)控制所述数据采集单元(2)循环16次数据采集过程，循环结束后输出采集结束指令给所述数据处理控制模块(15)；
所述数据实时显示模块(14)用于显示设备状态、标定进度、标定温度，以及所述传感器标定单元(5)内部温度信息及铂薄膜电阻热流传感器各标定温度下的阻值；阻值显示时，96路采集通道分为12个选项卡，每选项卡显示8个通道，实现显示数据的快速切换；
所述数据处理控制模块(15)用于控制所述数据处理单元(3)对铂薄膜电阻热流传感器的测量结果进行处理，接收到采集结束指令后，所述数据处理控制模块(15)启动所述数据处理单元(3)按照最小二乘法原理对测量结果进行拟合，计算铂薄膜电阻热流传感器的零度阻值、温度灵敏度系数、相关系数和标准差，数据处理结束后自动保存处理结果及铂薄膜电阻热流传感器各标定温度下的阻值。
4.如权利要求1所述的一种铂薄膜电阻热流传感器标定装置，其特征在于，所述温度调节单元(6)的温度调节采用恒温浴槽实现，可以加热与制冷并保持温度长时间恒定，温度调节范围为-30～200℃，控制精度为±0.01℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170707 |