CN113237561A - 一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器测温技术领域，具体公开了一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，包括：获取NTC对应通道的ADC数值，基于预存的所述NTC对应通道的ADC数值与环境温度之间的映射关系，计算所述NTC对应通道的ADC数值对应的环境温度；获取热电偶对应通道的ADC数值，基于预存的所述热电偶对应通道的ADC数值与热电偶输出电压差之间的映射关系，计算出所述热电偶对应通道的ADC数值对应的热电偶输出电压差；根据计算出的所述环境温度和热电偶输出电压差，计算出被测物体的目标温度。本发明提供的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，可以最大程度上消除传感器非线性的误差。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测温技术领域，更具体地，涉及一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法。
背景技术
传感器就是一种以一定的精确度将被测物理量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件。理想的传感器输入物理量与转换信号呈线性关系，线性度越高，则传感器的精度越高。但是在工程实践中，大部分传感器的特性曲线都存在一定的非线性度误差。在测控系统中，传感器的非线性特性严重影响着测控精度。
传感器非线性特性的消除，一直以来是需要解决的问题。特别是随着大家对传感器的精度要求越来越高，提出一种比较合理化的非线性校正方法是非常必要的。
热硅堆红外测温传感器是由热电偶构成的一种器件，一般由两个或多个热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势是相互叠加的。因此热硅堆测温原理和热电偶相同都是基于塞贝克效应。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流流过，此时两端之间就存在电动势，也就是所谓的塞贝克效应。
热硅堆红外测温传感器测温分为NTC和热电偶两部分，NTC阻值变化随环境温度是指数变化。热电偶输出压差随温度近似为二次变化。目前常用的有直接将NTC的指数方程和热电偶输出压差的二次方程的系数提前存储在flash，然后通过调用参数计算响应的对应温度；还有一种牺牲精确度但是减少计算空间的是的是使用线性插值对其指数和二次方程进行近似线性化计算。
一般总体是从硬件和软件两个角度去消除。硬件校正的不足在于影响电路的因数太多，实际调整时其零点、满度和线性三者相互影响。软件常用的有查表法和神经网络法，但是较为复杂，计算开销特大。线性插值法虽然计算量小计算速度快，但是测量误差还是比较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，根据NTC对应通道的ADC数值与环境温度之间的对应关系以及热电偶对应通道的ADC数值与热电偶输出电压差之间的对应关系，对于不同ADC数值采用不同的算法，从而最大程度上消除传感器非线性的误差。
作为本发明的第一个方面，提供一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，包括：
步骤S1：获取NTC对应通道的ADC数值，基于预存的所述NTC对应通道的ADC数值与环境温度之间的映射关系，计算所述NTC对应通道的ADC数值对应的环境温度；
步骤S2：获取热电偶对应通道的ADC数值，基于预存的所述热电偶对应通道的ADC数值与热电偶输出电压差之间的映射关系，计算出所述热电偶对应通道的ADC数值对应的热电偶输出电压差；
步骤S3：根据计算出的所述环境温度和热电偶输出电压差，计算出被测物体的目标温度。
进一步地，所述步骤S1中，还包括：
获取多个NTC标定点；
根据多个所述NTC标定点，确定出所述环境温度的计算公式；
将所述NTC对应通道的ADC数值代入到所述环境温度的计算公式中得到其对应的环境温度；
其中，所述NTC标定点为环境温度与NTC对应通道的ADC数值之间的对应关系。
进一步地，所述获取多个NTC标定点中，还包括：
设置恒温箱温度，所述恒温箱温度模拟的是环境温度T0；
在所述环境温度T0下，读取并记录所述NTC对应通道的ADC数值A0；
得到多个所述NTC标定点(T0，A0)。
进一步地，所述步骤S2中，还包括：
获取多个IR标定点；
根据多个所述IR标定点，确定出所述热电偶输出电压差的计算公式；
将所述热电偶对应通道的ADC数值代入到所述热电偶输出电压差的计算公式中得到其对应的热电偶输出电压差；
其中，所述IR标定点为热电偶输出电压差与热电偶对应IR通道的ADC数值之间的对应关系。
进一步地，所述获取多个IR标定点中，还包括：
设置恒温箱温度和黑体温度，所述恒温箱温度模拟的是环境温度T0，所述黑体温度模拟的是被测物体的目标温度；
在所述环境温度T0下，读取并记录所述热电偶对应通道的ADC数值B0；
根据已有的传感器V-T表，得到对应的热电偶输出电压差V0；
得到多个所述IR标定点(V0，B0)。
进一步地，所述步骤S3中，还包括：
将所述环境温度和热电偶输出电压差通过查表法，计算出所述被测物体的目标温度。
进一步地，还包括：
通过表格中的多个已知数据，确定出在所述环境温度一定时所述被测物体的目标温度的计算公式，将所述热电偶输出电压差代入到所述被测物体的目标温度的计算公式中得到所述被测物体的目标温度。
本发明提供的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法具有以下优点：根据NTC对应通道的ADC数值与环境温度之间的对应关系以及热电偶对应通道的ADC数值与热电偶输出电压差之间的对应关系，对于不同ADC数值采用不同的算法，从而最大程度上消除传感器非线性的误差。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法的流程图。
图2为本发明提供的NTC标定点的获取流程图。
图3为本发明提供的IR标定点的获取流程图。
图4为本发明提供的环境温度随NTC对应通道的ADC数值变化的趋势图。
图5为本发明提供的热电偶输出电压差随热电偶对应通道的ADC数值变化的趋势图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本实施例中提供了一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，如图1所示，高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法包括：
步骤S1：获取NTC对应通道的ADC数值，基于预存的所述NTC对应通道的ADC数值与环境温度之间的映射关系，计算所述NTC对应通道的ADC数值对应的环境温度；
步骤S2：获取热电偶对应通道的ADC数值，基于预存的所述热电偶对应通道的ADC数值与热电偶输出电压差之间的映射关系，计算出所述热电偶对应通道的ADC数值对应的热电偶输出电压差；
步骤S3：根据计算出的所述环境温度和热电偶输出电压差，计算出被测物体的目标温度。
需要说明的是，热电偶输出电压差与冷端和热端的温度差相关(冷端一般指工作的环境温度，热端一般指被测量物体本身的温度)，为了获得具体的被测量物体温度，因此需要集成一个NTC用于对环境温度进行补偿；整个过程需要测量的有NTC和热电偶，这两个信号各自对应一个测量通道，该测量通道是与ADC连接的，用于将体现物理性能的模拟信号转变为数字信号。
优选地，所述步骤S1中，还包括：
获取多个NTC标定点；
根据多个所述NTC标定点，确定出所述环境温度的计算公式；
将所述NTC对应通道的ADC数值代入到所述环境温度的计算公式中得到其对应的环境温度；
其中，所述NTC标定点为环境温度与NTC对应通道的ADC数值之间的对应关系。
以实际测量的一组红外传感器数据为准，数据如下表1所示，环境温度范围为-20℃-40℃。
表1
| NTC对应通道的ADC数值 | 对应环境温度(℃) |
| 3872.59 | -20 |
| 3626.788 | -10 |
| 3250.938 | 0 |
| 2889.616 | 10 |
| 2392.036 | 20 |
| 1592.4 | 30 |
| 742.724 | 40 |
结合图4可以看出，环境温度(纵坐标)随NTC对应通道的ADC数值(横坐标)变化关系比较接近多项式，因此我们采用局部多项式方式求解来减小其非线性误差，举例说明如下。
读取NTC对应通道的ADC数值Ax，判断该ADC数值Ax所在区间，例如，A1<Ax<A2；对于一元二次方程，至少需要三个点，再次我们选择(A0,T0)、(A1,T1)、(A2,T2)、(A3,T3)四个标定点进行多项式求解，最终得出在A1<Ax<A2局部区间内，环境温度T的计算公式如下：T＝a*A2+b*A+c，将Ax代入该计算公式，得到其对应的环境温度Tx，由此来减少环境温度的非线性误差。
优选地，如图2所示，所述获取多个NTC标定点中，还包括：
设置恒温箱温度，所述恒温箱温度模拟的是环境温度T0；
在所述环境温度T0下，读取并记录所述NTC对应通道的ADC数值A0；
得到多个所述NTC标定点(T0，A0)。
需要说明的是，NTC反映了环境温度的大小，因此这里的NTC对应通道的ADC数值是与环境温度对应的ADC读数；例如：环境温度为-20时，得到的ADC(与NTC通道相连接)读数为0x11d74(0x代表十六进制，其对应的十进制数为73076)，这里的0x11d74则为我们说的NTC通道数据。
优选地，所述步骤S2中，还包括：
获取多个IR标定点；
根据多个所述IR标定点，确定出所述热电偶输出电压差的计算公式；
将所述热电偶对应通道的ADC数值代入到所述热电偶输出电压差的计算公式中得到其对应的热电偶输出电压差；
其中，所述IR标定点为热电偶输出电压差与热电偶对应IR通道的ADC数值之间的对应关系。
同样，以实际测量的热电偶输出电压差和其对应ADC数值数据如下表2所示：
表2
| 热电偶对应通道的ADC数值 | 对应输出电压差(mv) |
| 1725.02 | -0.923403573 |
| 1839.442 | -0.502795229 |
| 1953.08 | -0.048757772 |
| 2089.822 | 0.480633094 |
| 2228.542 | 1.058928132 |
| 2385.786 | 1.696326282 |
结合图5可以看出，热电偶输出电压差和对应通道的ADC数值Bx关系偏于线性，因此可以选择线性插值方式来提高其计算精度，同样举例说明如下。
读取热电偶对应通道的ADC数值Bx，判断该ADC数值Bx所在区间，例如B1<Bx<B2时，我们选择(B1,V1)、(B2,V2)两个标定点通过线性插值可以计算出相关的热电偶输出电压差Vx，热电偶输出电压差Vx的计算公式为Vx＝V1+(Bx-B1)*(V2-V1)/(B2-B1)，将该ADC数值Bx代入到Vx的计算公式求得对应的Vx。
优选地，如图3所示，所述获取多个IR标定点中，还包括：
设置恒温箱温度和黑体温度，所述恒温箱温度模拟的是环境温度T0，所述黑体温度模拟的是被测物体的目标温度；
在所述环境温度T0下，读取并记录所述热电偶对应通道的ADC数值B0；
根据已有的传感器V-T表，得到对应的热电偶输出电压差V0；
得到多个所述IR标定点(V0，B0)。
需要说明的是，V0是根据现有传感器V-T表查表得到的输出电压差，例如，当环境温度为20℃，目标温度为30℃，热电偶对应通道的ADC数值B0为0x2042b(对应十进制为132139)查表可以得到此时对应输出压差为0.60245mv(V-T表是传感器厂商提供的)，此时0.60245mv则为V0。
优选地，所述步骤S3中，还包括：
将所述环境温度和热电偶输出电压差通过查表法，计算出所述被测物体的目标温度。
优选地，还包括：
通过表格中的多个已知数据，确定出在所述环境温度一定时所述被测物体的目标温度的计算公式，将所述热电偶输出电压差代入到所述被测物体的目标温度的计算公式中得到所述被测物体的目标温度。
当分别计算出环境温度Tx和热电偶输出电压差Vx后，结合查找传感器V-T表计算出被测物体的目标温度，下面以红外热电堆传感器为例进行说明。
下表3为传感器V-T表示意图。
表3
例如，假设环境温度Tx＝23.8℃，热电偶输出电压差Vx＝0.523mv，此时环境温度Tx的查表范围为23℃-24℃。
步骤1：根据计算出的热电偶输出电压差Vx和环境温度Tx纵向查表获取得到被测物体的目标温度t，同时得到V1-V16，具体数值如下表4所示；
表4
步骤2.1：根据V1-V4四点进行局部多项式参数求值，得到在目标温度为30℃时，对于不同环境温度下，热电堆输出电压差的计算公式为
V＝-0.0003*Tx2-0.0451*Tx+1.6259，并代入Tx＝23.8℃，得到相关的Vt＝0.382586mv；
步骤2.2：根据V5-V8四点进行局部多项式参数求值，得到在目标温度为31℃时，对于不同环境温度下，热电堆输出电压差的计算公式为
V＝-0.0003*Tx2-0.0451*Tx+1.6894，并代入Tx＝23.8℃，得到相关的Vt+1＝0.446088mv；
步骤2.3：根据V9-V12四点进行局部多项式参数求值，得到在目标温度为32℃时，对于不同环境温度下，热电堆输出电压差的计算公式为
V＝-0.0003*Tx2-0.0451*Tx+1.7536，并代入Tx＝23.8℃，得到相关的Vt+2＝0.510288mv；
步骤2.4：根据V13-V16四点进行局部多项式参数求值，得到在目标温度为33℃时，对于不同环境温度下，热电堆输出电压差的计算公式为
V＝-0.0003*Tx2-0.0451*Tx+1.8184，并代入Tx＝23.8℃，得到相关的Vt+3＝0.575088mv；
其中，将Vt＝0.382586mv，Vt+1＝0.446088mv，Vt+2＝0.510288mv，Vt+3＝0.575088mv，输入到表4中，得到下表5；
表5
步骤3：利用Vt、Vt+1、Vt+2、Vt+3四点求出在环境温度为23.8℃下，当目标温度处于30和33之间，被测物体的目标温度t的计算公式为：t＝-1.2299*V2+16.761*V+23.767；
步骤4：将Vx＝0.523mv代入到上述t的表达式，从而计算出被测物体的目标温度t＝32.1916。
需要说明的是，NTC本身阻值随温度变化是非线性的，因此对于NTC对应的信号采用局部拟合公式进行求解，从而最大程度上消除非线性的误差；对于热硅堆来说，其输出电压随冷端和热端之间温度差有一个近似线性化关系，因此在对热硅堆对应信号求解时采用线性插值法，减小计算量；对于最终目标温度计算，在查表时使用局部线性拟合法代替之前的线性插值法，从而消除V-T查表引入的误差。
本发明提供的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，主要是在软件上进行红外热硅堆传感器的非线性校正，省去了硬件中的其余电路因素的影响；在查表的时候，使用局部多项式参数求值来消除之前线性插值的误差；同时使用局部多项式参数求值也消除了整体多项式参数求值带来的误差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取NTC对应通道的ADC数值，基于预存的所述NTC对应通道的ADC数值与环境温度之间的映射关系，计算所述NTC对应通道的ADC数值对应的环境温度；
步骤S2：获取热电偶对应通道的ADC数值，基于预存的所述热电偶对应通道的ADC数值与热电偶输出电压差之间的映射关系，计算出所述热电偶对应通道的ADC数值对应的热电偶输出电压差；
步骤S3：根据计算出的所述环境温度和热电偶输出电压差，计算出被测物体的目标温度。
2.根据权利要求1所述的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括：
获取多个NTC标定点；
根据多个所述NTC标定点，确定出所述环境温度的计算公式；
将所述NTC对应通道的ADC数值代入到所述环境温度的计算公式中得到其对应的环境温度；
其中，所述NTC标定点为环境温度与NTC对应通道的ADC数值之间的对应关系。
3.根据权利要求2所述的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，所述获取多个NTC标定点中，还包括：
设置恒温箱温度，所述恒温箱温度模拟的是环境温度T0；
在所述环境温度T0下，读取并记录所述NTC对应通道的ADC数值A0；
得到多个所述NTC标定点（T0，A0）。
4.根据权利要求1所述的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括：
获取多个IR标定点；
根据多个所述IR标定点，确定出所述热电偶输出电压差的计算公式；
将所述热电偶对应通道的ADC数值代入到所述热电偶输出电压差的计算公式中得到其对应的热电偶输出电压差；
其中，所述IR标定点为热电偶输出电压差与热电偶对应IR通道的ADC数值之间的对应关系。
5.根据权利要求4所述的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，所述获取多个IR标定点中，还包括：
设置恒温箱温度和黑体温度，所述恒温箱温度模拟的是环境温度T0，所述黑体温度模拟的是被测物体的目标温度；
在所述环境温度T0下，读取并记录所述热电偶对应通道的ADC数值B0；
根据已有的传感器V-T表，得到对应的热电偶输出电压差V0；
得到多个所述IR标定点（V0，B0）。
6.根据权利要求1所述的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括：
将所述环境温度和热电偶输出电压差通过查表法，计算出所述被测物体的目标温度。
7.根据权利要求6所述的高精度热硅堆红外测温传感器非线性校正方法，其特征在于，还包括：
通过表格中的多个已知数据，确定出在所述环境温度一定时所述被测物体的目标温度的计算公式，将所述热电偶输出电压差代入到所述被测物体的目标温度的计算公式中得到所述被测物体的目标温度。
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