CN109489853B - 基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块及方法，其技术特点在于：包括高精度恒流源、第一九通道开关电路、多个测温铂电阻、第二九通道开关电路、射极跟随放大电路和微处理器信号处理电路；所述高精度恒流源的输出端通过第一九通道开关电路分别与多个测温铂电阻相连接并产生电压，该多个测温铂电阻的另一端均接地；所述第二九通道开关电路的输入端分别与多个测温铂电阻相连接，该第二九通道开关电路的输出端通过射极跟随放大电路与微处理器信号处理电路相连接，用于将产生的电压通过第二九通道开关电路和射极跟随放大电路进行缓冲后输入微处理器信号处理电路采集相应电压值。本发明线路结构简单，硬件成本较低，可靠性高。

Description

基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块及方法
技术领域
本发明属于捷联惯性导航设备温度采集技术领域，涉及光纤陀螺仪的铂电阻测温方法，尤其是一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块及方法。
背景技术
光纤陀螺和加速度计是惯性导航设备的核心元件，其性能直接影响系统精度。而光纤陀螺仪存在一个很大的缺点就是构成光纤陀螺的核心部件对温度都较敏感，其输出受温度影响显著。从实测的曲线上看，当环境温度发生变化时，陀螺的零位漂移明显加剧，标度因数的线性度也严重恶化。因此需要对光纤陀螺仪进行温度补偿，提高光纤捷联系统的精度。
为了全面获取陀螺和加速度计工作状态，在每只光纤陀螺仪中安装了两支铂电阻，在加速度计中安装了一只铂电阻作为温度敏感器。安装在陀螺仪中两支铂电阻不仅能够测量光纤陀螺温度，同时还能根据测量的两个温度反应温度梯度，从而能够更加全面地建立陀螺温度补偿模型，提高陀螺仪输出精度。
每套惯性导航设备需要三只光纤陀螺仪和三只加速度计，因此需要一个九通道的高精度铂电阻测温模块将这些温度精准地测量出来，并发送给导航解算板，进行温度补偿，为了满足惯性导航设备的解算精度，温度采集的精度需要到达±0.1℃。但现有的铂电阻测温模块的电路结构复杂，硬件成本高，而且采集得到的温度信息精度抵，直接影响了光纤捷联系统的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、测量精度高且硬件成本低的基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块及方法。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块，包括高精度恒流源、第一九通道开关电路、多个测温铂电阻、第二九通道开关电路、射极跟随放大电路和微处理器信号处理电路；所述高精度恒流源的输出端通过第一九通道开关电路分别与多个测温铂电阻相连接并产生电压，该多个测温铂电阻的另一端均接地；所述第二九通道开关电路的输入端分别与多个测温铂电阻相连接，该第二九通道开关电路的输出端通过射极跟随放大电路与微处理器信号处理电路相连接，用于将产生的电压通过第二九通道开关电路和射极跟随放大电路进行缓冲后输入微处理器信号处理电路采集相应电压值。
而且，所述微处理器信号处理电路包括微处理器、开关控制模块、ADC采集模块、串口通讯模块和转换模块；所述射极跟随放大电路的输出端与ADC采集模块相连接，ADC采集模块的输出端与微处理器相连接，将所采集的电压值输入至微处理器进行计算后得到温度信息；该微处理器的输出端依次通过串口通讯模块、转换模块与导航解算板相连接，用于将温度信息发送至导航解算板；所述开关控制模块的输出端分别与第一九通道开关电路和第二九通道开关电路相连接，用于控制第一九通道开关和第二九通道开关的开闭。
而且，所述高精度恒流源包括5个电阻和两个运算放大器；其中，第一电阻R1的一端接地，另一端与第一运算放大器U1A的负输入端相连接；第二电阻R2的一端与+3V参考电压相连接，另一端与第一运算放大器U1A的正输入端相连接；第三电阻R3作为负反馈电阻，其一端与第一运算放大器U1A的负输入端相连接，另一端与第一运算放大器U1A的输出端相连接；高精密参考电阻Rref的一端与第一运算放大器U1A的输出端相连接，另一端分别与第二运算放大器U1B正输入端和测温铂电阻R+△R1的一端相连接；该测温铂电阻R+△R1的另一端接地；第二运算放大器U1B的负输入端与输出端直接相连，并通过第四电阻R4反馈输入至第一运算放大器U1A的正输入端。
一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温方法，包括以下步骤：
步骤1、对ADC采样电压值进行二阶低通数字滤波；
步骤2、在低通滤波后得到相应电压值，利用欧姆公式得到当前时刻的铂电阻阻值，并进行温度-电阻二阶非线性拟合后根计算得出铂电阻温度值。
而且，所述步骤2的温度-电阻二阶非线性拟合计算公式为：
T＝P1×RPT×RPT+P2×RPT+P3.....................
其中，RPT为测量的铂电阻阻值，T为实测温度的10倍值。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明的硬件电路只需一只双通道的低漂移运算放大器、一只高精度恒压源及少量精密电阻即可构成高精度对地恒流源，通过带有AD转换模块的微处理器分时采样九只铂电阻电压值，并通过软件算法转化为温度信息。因此该方案线路结构简单，硬件成本较低，但测量范围较广，可靠性高。同时该方案主要依靠优化的软件算法得到高精度的温度信息，因此程序移植性强。
2、本发明由模数混合电路组成，利用开关控制及微处理器集成电路，减小了线路规模，大大降低了线路复杂度，同时减小了模块尺寸和自身功耗。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的高精度恒流源的电路图；
图3为本发明的处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块，如图1所示，包括高精度恒流源、第一九通道开关电路、多个测温铂电阻、第二九通道开关电路、射极跟随放大电路和微处理器信号处理电路；
所述高精度恒流源的输出端通过第一九通道开关电路分别与多个测温铂电阻相连接并产生电压，该多个测温铂电阻的另一端均接地；所述第二九通道开关电路的输入端分别与多个测温铂电阻相连接，该第二九通道开关电路的输出端通过射极跟随放大电路与微处理器信号处理电路相连接，用于将产生的电压通过第二九通道开关电路和射极跟随放大电路进行缓冲后输入微处理器信号处理电路采集相应电压值。
所述微处理器信号处理电路包括微处理器、开关控制模块、24位ADC采集模块、串口通讯模块和转换模块；所述射极跟随放大电路的输出端与24位ADC采集模块相连接，该24位ADC采集模块的输出端与微处理器相连接，将所采集的电压值输入至微处理器进行计算后得到温度信息；该微处理器的输出端依次通过串口通讯模块、转换模块与导航解算板相连接，用于将温度信息发送至导航解算板；所述开关控制模块的输出端分别与第一九通道开关电路和第二九通道开关电路相连接，用于控制第一第一九通道开关和第二九通道开关的开闭。
所述高精度恒流源如图2所示，包括5个电阻和两个运算放大器；其中，第一电阻R1的一端接地，另一端与第一运算放大器U1A的负输入端相连接；第二电阻R2的一端与+3V参考电压相连接，另一端与第一运算放大器U1A的正输入端相连接；第三电阻R3作为负反馈电阻，其一端与第一运算放大器U1A的负输入端相连接，另一端与第一运算放大器U1A的输出端相连接；高精密参考电阻Rref的一端与第一运算放大器U1A的输出端相连接，另一端分别与第二运算放大器U1B正输入端和测温铂电阻R+△R1的一端相连接；该测温铂电阻R+△R1的另一端接地；第二运算放大器U1B的负输入端与输出端直接相连，并通过第四电阻R4反馈输入至第一运算放大器U1A的正输入端。
当电阻R1,R2，R3,R4相等时,通过计算可以得出图2中各个电压值分别为；
Figure BDA0001915511200000041
U5＝U7；
因此U1A的输出电压UO1为：
Figure BDA0001915511200000051
从而得出恒流源输出电流Iref为：
Figure BDA0001915511200000052
通过计算分析该恒流源最大误差为0.015％，能够满足系统使用要求。
下面分别对基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块的各组成部分的功能和作用作进一步说明：
(1)九通道开关电路开关电路
开关电路由两组九选一复用开关组成，通过微处理器对选通通道进行控制。如图1所示，利用第一组开关选通恒流源的流向，并在铂电阻上产生电压。利用第二组开关使得产生的电压通过射极跟随器输入到微处理器的AD中，并且消除由于第一组开关导通时产生的导通电阻的影响。
(2)射极跟随放大电路
射极跟随放大电路由低漂移、低噪声精密运算放大器及精密电阻组成。根据温度要求及铂电阻输出电压值，改变精密电阻阻值调整放大器增益，从而提高AD的分辨率，提高输出精度。
(3)微处理器信号处理电路
微处理器的24位高精度AD采集模块对射极跟随放大器的输出信号进行采集，得到与铂电阻阻值成正比的电压值，从而得到铂电阻阻值。
本发明的一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块的工作原理是：
利用高精度恒压源及低漂移运算放大器，实现高精度对地恒定的电流源，并通过九路开关分别控制数据采集通道，使设计的恒流源分时通过九组铂电阻，最后利用带有高精度AD的处理器，采样铂电阻上的电压，并把转换完成的数字温度信息发送给导航解算板。
一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、对ADC采样电压值进行二阶低通数字滤波；
由于模块用开关对恒流源及电压采集通道进行控制，会产生一定的高频开关噪声，因此在AD采样电压值后，需要对原始数据进行低通滤波。考虑到温度信号为慢变信号，对延时不敏感，选用一个采样频率为50Hz，低通频率为2Hz的二阶低通巴特沃斯数字滤波器即可满足。
步骤2、在低通滤波后得到相应电压值，利用欧姆公式得到当前时刻的铂电阻阻值，并进行温度-电阻二阶非线性拟合后根计算得出铂电阻温度值。
所述步骤2的温度-电阻二阶非线性拟合计算公式为：
T＝P1×RPT×RPT+P2×RPT+P3.....................(1)
其中，RPT为测量的铂电阻阻值，T为实测温度的10倍值。
在本实施例中，在低通滤波后得到相应电压值后，利用欧姆公式，电压除以电流得到当前时刻的铂电阻阻值。
由于铂电阻电阻值与温度值并不完全成线性关系，因此如果直接用测出的电阻值按线性化计算出温度值会导致误差较大。在测量精度要求极其高的情况下，可以将电阻值所对应的温度值存放在ROM中，然后根据测量的电阻值，用查表法读出对应的温度。但这需要大量的数据空间。在要求不是极其高的情况下，可以根据测量的温度范围-10℃～70℃每10℃分段与电阻阻值进行二阶非线性拟合，根据拟合公式计算出温度值，其拟合公式如下式所示：
T＝P1×RPT×RPT+P2×RPT+P3.....................(1)
其中RPT为测量的铂电阻阻值，T为实测温度的10倍值。利用Matlab的拟合工具cftool软件，可以方便的计算出每个温度段的二次拟合系数，如表1所示：
表1温度与电阻值的拟合系数
Figure BDA0001915511200000061
下面对多通道铂电阻测温模块的试验和应用进行说明：
为验证多通道铂电阻测温模块的正确性和可靠性，本发明初期，在实验室温箱中搭建了多通道铂电阻测温模块试验平台。将七片PT1000铂电阻紧贴在一起，并放入温箱中。其中一片铂电阻连接到6位半表Agent34410上，直接读出其电阻并通过查表法找出相应温度值，另外六路分别接到线路板的六个通道上，通过微处理器的串口将处理过的温度值发送到上位机上。调节温箱温度，在20个温度点上测量七片铂电阻所对应的温度。经过测试验证，多通道测温模块输出精度能够达到0.1℃。
在实验平台经过考核达到各指标后，应用在某型高精度光纤寻北仪和中精度激光
捷联设备上，从初样机到设计定型，其性能和可靠性经过严格考核和验证。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块，其特征在于：包括高精度恒流源、第一九通道开关电路、多个测温铂电阻、第二九通道开关电路、射极跟随放大电路和微处理器信号处理电路；所述高精度恒流源的输出端通过第一九通道开关电路分别与多个测温铂电阻相连接并产生电压，该多个测温铂电阻的另一端均接地；所述第二九通道开关电路的输入端分别与多个测温铂电阻相连接，该第二九通道开关电路的输出端通过射极跟随放大电路与微处理器信号处理电路相连接，用于将产生的电压通过第二九通道开关电路和射极跟随放大电路进行缓冲后输入微处理器信号处理电路采集相应电压值；
所述高精度恒流源包括5个电阻和两个运算放大器；其中，第一电阻R1的一端接地，另一端与第一运算放大器U1A的负输入端相连接；第二电阻R2的一端与+3V参考电压相连接，另一端与第一运算放大器U1A的正输入端相连接；第三电阻R3作为负反馈电阻，其一端与第一运算放大器U1A的负输入端相连接，另一端与第一运算放大器U1A的输出端相连接；高精密参考电阻Rref的一端与第一运算放大器U1A的输出端相连接，另一端分别与第二运算放大器U1B正输入端和测温铂电阻R+△R1的一端相连接；该测温铂电阻R+△R1的另一端接地；第二运算放大器U1B的负输入端与输出端直接相连，并通过第四电阻R4反馈输入至第一运算放大器U1A的正输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块，其特征在于：所述微处理器信号处理电路包括微处理器、开关控制模块、ADC采集模块、串口通讯模块和转换模块；所述射极跟随放大电路的输出端与ADC采集模块相连接，ADC采集模块的输出端与微处理器相连接，将所采集的电压值输入至微处理器进行计算后得到温度信息；该微处理器的输出端依次通过串口通讯模块、转换模块与导航解算板相连接，用于将温度信息发送至导航解算板；所述开关控制模块的输出端分别与第一九通道开关电路和第二九通道开关电路相连接，用于控制第一九通道开关和第二九通道开关的开闭。
3.如权利要求1或2所述的一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块的测温方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对ADC采样电压值进行二阶低通数字滤波；
步骤2、在低通滤波后得到相应电压值，利用欧姆公式得到当前时刻的铂电阻阻值，并进行温度-电阻二阶非线性拟合后，计算得出铂电阻温度值。
4.根据权利要求3所述的一种基于恒流源的高精度多通道铂电阻测温模块的测温方法，其特征在于：所述步骤2的温度-电阻二阶非线性拟合计算公式为：
T＝P1×RPT×RPT+P2×RPT+P3.....................
其中，RPT为测量的铂电阻阻值，T为实测温度的10倍值。
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