CN111780881A - 一种高精度测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碲镉汞红外焦平面探测器的测温技术领域，具体涉及一种高精度测温系统，包括：测温模块以及与测温模块相互电连接的电源和数据接收处理模块，所述数据处理模块电连接上位机，所述测温模块包括电源模块、测温前端模块、参考通道模块、测温通道模块和信号处理模块，所述电源模块与参考通道模块、测温通道模块、测温前端模块电连接，测温前端模块与测温通道模块电连接，参考通道模块、测温通道模块与信号处理模块电连接。本发明的测温系统能够实现高精温度测量。
Description
技术领域
本发明涉及碲镉汞红外焦平面探测器的测温技术领域，具体涉及一种高精度测温系统。
背景技术
红外焦平面探测器对温度的稳定性和均匀性有着很高的要求。为了保证红外焦平面的性能，需要对其进行精确的温度监测。因此，对于整个红外焦平面探测系统而言，有一个高精度高性能的温度测量系统显得尤为重要。
常用的温度传感器包括热偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻及半导体温度传感器等。半导体温度传感器在较大的温度范围内具有高精度和近乎线性的特性。半导体二极管具有温度范围宽、响应速度快、线性度较好的特性，利用这种特性，半导体二极管被广泛地应用于红外探测器的工作温度测定。
传统的对红外焦平面探测器进行测温，即对体测温二极管进行测温，直接将温度信号转换为测温二极管P端电压信号。然后对其进行放大，再将信号进行了数字量化，最后将量化结果直接给后端。
在碲镉汞红外成像组件中，为保证此探测器的性能，需实时监测其温度为55K～63K时的温度变化情况。此探测器使用某型号测温二极管作为温度传感器。通过对此测温二极管在正向偏压Vd与温度T特性分析以及探测器工作温度的冗余设计，测量电路需要对测温二极管52K～66K温度范围内的实时监测。在此温度内，为此二极管注入1mA的恒定电流时，其测温二极管电压1.1V～1.0710V。采用传统的方法，直接用测温二极管P端电压信号代替温度信号，忽略了二极管N端电压，其二极管N端到地也有1mA电流，其导线也有电阻，与之对应二极管N端也有电压。直接采用传统的测量方式，不能准确的测量二极管的电压，无法精确的表征探测器的温度信息。同时，传统的测温精度一般在±50mK以上，在要对碲镉汞红外探测器的测温精到达到±10mK以下的实时监控时，就需要更高精度的测温系统来实现。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种高精度测温系统。
一种高精度测温系统，包括：测温模块以及与测温模块相互电连接的电源和数据接收处理模块，所述数据处理模块电连接上位机，所述测温模块包括电源模块、测温前端模块、参考通道模块、测温通道模块和信号处理模块，所述电源模块与参考通道模块、测温通道模块、测温前端模块电连接，测温前端模块与测温通道模块电连接，参考通道模块、测温通道模块与信号处理模块电连接。
进一步的，所述电源模块包括电源输入接口、分压处理器和电源输出接口，所述电源输入接口与电源连接，为分压处理器提供低温漂基准电压，所述电源输入接口包括但不限于通信串口和连接电路；所述分压处理器设置于电源模块内，将电源输入接口输出的低温漂基准电压分为多路直流分压；所述电源输出接口将直流分压输送给参考通道模块、测温通道模块和测温前端模块。
进一步的，所述测温前端模块包括精密恒流电流源、四线制测温二极管接口和测温二极管，所述精密恒流电流源与四线制测温二极管接口相连，为测温二极管提供所需的恒流，所述四线制测温二极管接口用于测温二极管与精密恒流源之间的连接和测温二极管与测温通道模块之间的连接；所述测温二极管用于测量温度。
进一步的，所述四线制测温二极管接口包括四根连接线，分别为第一连接线、第二连接线、第三连接线、第四连接线，其中第一连接线与精密恒流电流源连接，第二连接线与测温二极管一端连接，第三连接线与测温二极管另一端连接，第四连接线与测温通道模块连接。
进一步的，所述参考通道模块包括热敏电阻、精密电阻和第三运算放大器，热敏电阻、精密电阻和第三运算放大器串联连接，第三运算放大器的输出端连接有一个嵌位器，所述第三运算放大器用于表征测温电路板自身的温漂状态。
进一步的，所述测温通道模块包括至少三个运算放大器：第一运算放大器、第二运算放大器和第四运算放大器，三个运算放大器之间的连接关系包括：第一运算放大器和第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输入端连接。
进一步的，第一运算放大器、第二运算放大器和第四运算放大器的输出端均连接有一个嵌位器。
进一步的，所述信号处理模块包括A/D采集单元、数据处理单元和第一接口单元，所述A/D采集单元量化所述测温通道模块和所述参考通道模块的测温信号；所述数据处理单元包括FPGA及其相应的阻容电路，所述数据处理单元对测温数据进行滤波和补偿处理，并将处理后的测温数据输入第一接口单元；所述第一接口单元由接口芯片、二极管和阻容串联构成，第一接口单元主要用于向数据接收处理模块发送测温数据。
进一步的，所述数据接收处理模块包括第二接口单元和控制器，所述第二接口单元由接口芯片、阻容和二极管串联构成，用于接收测温数据；所述控制器与上位机电连接，用于接收上位机发送的命令，接收测温数据并对测温数据编码解码后传回上位机。
进一步的，所述上位机包括存储器、处理器、通信串口、显示屏中的任意一种或多种的组合，所述存储器用于存储数据，其中存储有测温采集软件；所述处理器用于执行存储器中的测温采集软件；所述通信串口用于连接上位机和数据接收处理模块。
本发明的有益效果包括：
本发明采用四线制测温二极管接口进行测温，避免了传统的2线制测温接口中导线引入的温漂误差；
本发明采用对高精度低温漂电阻匹配计算，实现对测温范围的精确计算；
本发明采用匹配2级运放和A/D信号处理器的放大倍数，结合A/D采集单元的14bit量化宽度，使测温信号量化精度达到2.44uV；
本发明在测温通道模块中添加嵌位器，避免因前端探测器未在要求的温度范围内，导致运算放大器进行“减法”运算后，产生负电压，从而导致测温数据无效，甚至损坏测温电路。
本发明采用补偿算法减小测温电路自身的温漂对测温信号的影响；通过算术平均滤波算法较大的避免干扰，进而最终实现对测温二极管两端电压的精确测量，从而实现对红外探测器温度(52K～66K)的精准实时监测，并将测量信息传输给后端控温系统，以备后端实现对温度的调整，避免探测器在非正常工作温度下工作而影响性能，甚至损坏探测器。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的一种高精度测温系统总体结构框图；
图2为本发明实施例的直流分压输出示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种高精度测温系统，包括：电源、测温模块、数据接收处理模块、上位机，所述电源与测温模块电连接，数据接收处理模块与测温模块电连接，上位机与数据接收处理模块电连接。
进一步的，在一个实施例中，所述电源为直流电源，为测温模块提供电源电压，所述直流电源后端设置有滤波器，用于电源去噪。
进一步的，所述测温模块包括电源模块、测温前端模块、参考通道模块、测温通道模块和信号处理模块，所述电源模块与所述参考通道模块、所述测温通道模块、所述测温前端模块电连接，所述测温前端模块与所述测温通道模块电连接，所述参考通道模块、所述测温通道模块与所述信号处理模块电连接。
更进一步的，在一个实施例中，在测温模块中，所述电源模块包括电源输入接口、分压处理器和电源输出接口。所述电源输入接口包括但不限于通信串口和连接电路，所述电源输入接口用于连接电源和分压处理器，为分压处理器提供低温漂基准电压。所述分压处理器将电源输入接口输出的低温漂基准电压进行多路直流分压并通过电源输出接口将直流分压输送给参考通道模块、测温通道模块和测温前端模块。
在一个优选实施例中，分压处理器将电源输入接口输出的低温漂基准电压分为4路直流分压，分别为：第一直流分压、第二直流分压、第三直流分压、第四直流分压，通过电源输出接口将该4路直流分压输送给参考通道模块、测温通道模块和测温前端模块，如图2所示，第一直流分压对应附图2中的“直流分压1”，第二直流分压对应附图2中的“直流分压2”，第三直流分压对应附图2中的“直流分压3”，第四直流分压对应附图2中的“直流分压4”。
进一步的，所述测温前端模块包括精密恒流电流源、四线制测温二极管接口和测温二极管。所述精密恒流电流源与四线制测温二极管接口并联，为测温二极管提供所需的恒流，所述四线制测温二极管接口用于实现测温二极管与精密恒流源之间的连接和测温二极管与测温通道模块之间的连接。所述测温二极管用于测量探测器温度并将测温电压输出至测温通道模块进行放大。
进一步的，所述四线制测温二极管接口包括四根连接线，分别为第一连接线、第二连接线、第三连接线以及第四连接线，其中第一连接线与精密恒流电流源连接，第二连接线与测温二极管的一端连接，第三连接线与测温二极管的另一端连接，第四连接线与测温通道模块连接。传统的测温方式通常采用2线制接口方式连接测温二极管，测温过程中引入导线容易出现温漂误差，从而导致测温数据存在较大误差，为实现高精度温度测量，本说明书采用四线制接口方式连接测温二极管、精密恒流源和测温通道模块进行测温，这种四线制接口方式能够有效的避免导线引入所产生的温漂误差，使测温结果更加精确。
进一步的，所述参考通道模块包括热敏电阻、精密电阻和第三运算放大器组成，所述第三运算放大器用于表征测温电路板自身的温漂状态。
在一个实施例中，所述第三运算放大器输出端有连接一个嵌位器。
进一步的，所述测温通道模块包括至少三个运算放大器：第一运算放大器、第二运算放大器和第四运算放大器，三个运算放大器之间的连接关系包括：第一运算放大器和第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输入端连接，所述第四运算放大器的输出端连接信号处理模块。
优选的，所述测温通道模块中的每个运算放大器的输出端均连接有一个嵌位器，所述嵌位器用于保证运算放大器输出的电压满足后端信号处理模块的输入要求，保护测温电路在测温二极管在温度异常情况下不被损坏。
进一步的，所述信号处理模块包括A/D采集单元、数据处理单元和第一接口单元，所述A/D采集单元由A/D运放及其相应的阻容电路组成，所述A/D采集单元量化所述测温通道模块和所述参考通道模块的测温信号；所述数据处理单元包括FPGA及其相应的阻容电路，所述数据处理单元采用算术平均滤波算法运算和补偿算法对测温数据进行滤波和补偿处理，并将处理后的测温数据输入第一接口单元；所述第一接口单元由接口芯片、二极管和阻容串联构成，第一接口单元主要用于向数据接收处理模块发送测温数据。
优选的，所述第一接口单元选用RS485接口电路，所述RS485接口电路由接口芯片、阻容及二极管组成，是典型的串行通信标准接口，采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。
进一步的，所述数据接收处理模块包括第二接口单元和控制器，所述第二接口单元包括接口芯片、阻容和二极管，且接口芯片、阻容和二极管串联，用于接收测温数据，在一个优选实施例中，所述第二接口单元选用RS485接口接收电路实现，所述RS485接口接收电路包括接口芯片以及相应的阻容和二极管。所述控制器与上位机电连接，用于接收上位机发送的命令，优选的，所述控制器包括控制电路，所述控制电路由MCU、FPGA及其相应的阻容构成，受上位机控制对测温电路进行数据接收，并对测温数据进行编码解码后发送传回上位机。
进一步的，所述上位机包括但不限于存储器、处理器、通信串口、显示屏。所述存储器用于存储测温过程中所产生的相关数据、应用数据以及相关通信信令等，所述存储器存储有测温采集软件。所述处理器用于执行存储器中的测温采集软件和通信信令；所述通信串口连接上位机和数据接收处理模块，实现对测温模块的控制、测温数据的实时采集和显示。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高精度测温系统，包括：测温模块以及与测温模块相互电连接的电源和数据接收处理模块，所述数据处理模块电连接上位机，其特征在于，所述测温模块包括电源模块、测温前端模块、参考通道模块、测温通道模块和信号处理模块，所述电源模块与参考通道模块、测温通道模块、测温前端模块电连接，测温前端模块与测温通道模块电连接，参考通道模块、测温通道模块与信号处理模块电连接。
2.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，在测温模块中，所述电源模块包括电源输入接口、分压处理器和电源输出接口，所述电源输入接口与电源连接，为分压处理器提供低温漂基准电压，所述电源输入接口包括但不限于通信串口和连接电路；所述分压处理器设置于电源模块内，将电源输入接口输出的低温漂基准电压分为多路直流分压；所述电源输出接口将直流分压输送给参考通道模块、测温通道模块和测温前端模块。
3.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述测温前端模块包括精密恒流电流源、四线制测温二极管接口和测温二极管，所述精密恒流电流源与四线制测温二极管接口相连，为测温二极管提供所需的恒流，所述四线制测温二极管接口用于测温二极管与精密恒流源之间的连接和测温二极管与测温通道模块之间的连接；所述测温二极管用于测量温度。
4.根据权利要求3所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述四线制测温二极管接口包括四根连接线，分别为第一连接线、第二连接线、第三连接线、第四连接线，其中第一连接线与精密恒流电流源连接，第二连接线与测温二极管一端连接，第三连接线与测温二极管另一端连接，第四连接线与测温通道模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述参考通道模块包括热敏电阻、精密电阻和第三运算放大器，第三运算放大器的输出端连接有一个嵌位器。
6.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述测温通道模块包括至少三个运算放大器：第一运算放大器、第二运算放大器和第四运算放大器，三个运算放大器之间的连接关系包括：第一运算放大器和第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种高精度测温系统，其特征在于，第一运算放大器、第二运算放大器和第四运算放大器的输出端均连接有一个嵌位器。
8.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述信号处理模块包括A/D采集单元、数据处理单元和第一接口单元，所述A/D采集单元量化所述测温通道模块和所述参考通道模块的测温信号；所述数据处理单元包括FPGA及其相应的阻容电路，所述数据处理单元对测温数据进行滤波和补偿处理，并将处理后的测温数据输入第一接口单元；所述第一接口单元由接口芯片、二极管和阻容串联构成，第一接口单元主要用于向数据接收处理模块发送测温数据。
9.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述数据接收处理模块包括第二接口单元和控制器，所述第二接口单元包括接口芯片、阻容和二极管，用于接收测温数据；所述控制器与上位机电连接，用于接收上位机发送的命令，接收测温数据并对测温数据编码解码后传回上位机。
10.根据权利要求1所述的一种高精度测温系统，其特征在于，所述上位机包括存储器、处理器、通信串口、显示屏中的任意一种或多种的组合，所述存储器用于存储数据，其中存储有测温采集软件；所述处理器用于执行存储器中的测温采集软件；所述通信串口用于连接上位机和数据接收处理模块。
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