CN115183897A - 一种基于高频交流信号的温度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高频交流信号的温度测量系统及方法，包括高精度交流电流源、温度传感器、电阻器、差分运算放大器、均方根检测电路、模数转换器和微控制器，温度传感器与高精度交流电流源相连，电阻器与温度传感器相连，差分运算放大器与温度传感器相连，均方根检测电路与差分运算放大器相连，模数转换器与均方根检测电路相连，实时采集均方根检测电路输出信号，将模拟信号转换成数字信号输出；微控制器与模数转换器相连，读取信号转换结果，并通过公式转换成当前的温度值输出，本发明可以将温度测量系统产生的磁噪声由低频段搬移至测量系统不敏感的其他频段，进一步提升整个系统的极限测量范围。
Description
技术领域
本发明属于温度传感测量技术和量子精密测量技术的融合交叉领域，具体涉及一种基于高频交流信号的温度测量系统及方法，可以推广应用到其他的温度测量应用领域。
背景技术
随着量子操控、精密光谱、材料科学等相关技术的迅速发展，量子传感技术以其远超经典测量极限的突出优势受到越来越多领域的关注。在基于原子自选效应的极弱磁场和惯性测量等量子精密测量领域，由于系统工作工作过程中，内部碱金属原子气室需要维持在一个恒定的温度值，需要一个温度控制系统，且由于整个系统是对极弱磁场等相关参数的测量，对外部的磁场的干扰显得尤为敏感，因此需要为这种系统开发一套匹配的温度控制系统。作为温控系统的重要一环，传统的以PT1000铂电阻为传感器的温度测量技术，通过直接加载直流电流而后测其两端电压的方式，这种方式会给测量系统引入低频的磁噪声，限制整个系统测量参数的进一步提升，而通过施加交流电信号的方式则可以避开测量系统敏感的低频段磁噪声，将温度测量的磁噪声搬移到系统不敏感的高频段，与测量信号在频域上区别开进而将测量信号准确的检测出来，这对提升整个量子测量系统的参数有着积极的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于高频交流信号的温度测量系统及方法，可以调整交流电流源的电流信号输出频率，将整个温度测量系统所产生的磁噪声往系统不敏感的高频范围偏移，降低温度控制系统对量子精密测量系统测量精度的影响。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于高频交流信号的温度测量系统，包括高精度交流电流源、温度传感器、电阻器、差分运算放大器、均方根检测电路、模数转换器以及微控制器，所述的温度传感器与高精度交流电流源相连，将高精度交流电流源输出的交流电流信号转换成与当前温度相关的交流电压信号；所述的电阻器与温度传感器相连，将温度传感器两端的电压维持在模数转换器的输入端电压采样区间内；所述的差分运算放大器与温度传感器相连，将温度传感器两端的电压信号相减，并放大至与模数转换器的输入端电压采样区间相匹配；所述的均方根检测电路与差分运算放大器相连，将差分运算放大器输出的交流电压信号转换成其均方根值，该值是一个直流信号；所述的模数转换器与均方根检测电路相连，对温度传感器两端信号的均方根值进行采样，并转换成数字信号输出；所述的微控制器与模数转换器相连，读取模数转换器的转换结果，并通过温度传感器的电阻-温度转换关系式计算得到当前温度值。
作为优选，所述高精度交流电流源根据需求进行选择，当在实验室应用时选择高精度的电流源仪器进行交流电流源输出；当用于嵌入式系统时，选择带交流电流源输出模式的DDS芯片作为交流电流源。
作为优选，所述温度传感器选择PT1000铂电阻传感器。
作为优选，所述电阻器的电阻值根据模数转换器和差分运算放大器的工作范围进行选取。
作为优选，所述的差分运算放大器选择低噪声运算放大器，其带宽大于高精度交流电流源的输出电流信号频率。
作为优选，所述模数转换器的位数取决于温度测量系统的灵敏度，同时受制于高精度电流源的精度值，所述模数转换器的转换速率取决于均方根检测电路的带宽。
作为优选，所述微控制器为单片机或ARM芯片，带有匹配模数转换器的输出通信接口。
本发明还提供了一种基于高频交流信号的温度测量方法，包括以下步骤：
S1：温度传感器将高精度交流电流源输出的交流电流信号转换成与当前温度相关的交流电压信号；
S2：电阻器将温度传感器两端的电压维持在模数转换器的输入端电压采样区间内；
S3：差分运算放大器将温度传感器两端的电压信号相减，并放大至与模数转换器的输入端电压采样区间相匹配；
S4：均方根检测电路将差分运算放大器输出的交流电压信号转换成其均方根值，该值是一个直流信号；
S5：模数转换器对温度传感器两端信号的均方根值进行采样，并转换成数字信号输出；
S6：微控制器读取模数转换器的转换结果，并通过温度传感器的电阻-温度转换关系式计算得到当前温度值。
本发明具有的优点和积极效果是：目前在基于量子精密测量的领域中，由于测量系统所需要检测的信号都非常微弱，如何提高整个测量系统的信噪比就成了一个至关重要的问题。在诸如基于原子自旋效应的极弱磁场测量和极弱惯性测量等领域中，任何可以有效降低系统磁噪声的措施都是非常有必要的，因此本发明基于高频交流信号的温度测量方法可以将温度测量系统产生的磁噪声由低频段搬移至测量系统不敏感的其他频段，这对于进一步提升整个系统的极限测量范围有着非常积极的意义。且本方法描述的温度测量技术实现原理简单，工程实现性好，具有非常大的应用价值。
附图说明
图1是本发明的整体功能框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于高频交流信号的温度测量系统，包括高精度交流电流源1、温度传感器2、电阻器3、差分运算放大器4、均方根检测电路5、模数转换器6以及微控制器7，所述的温度传感器2与高精度交流电流源1相连，将高精度交流电流源1输出的交流电流信号转换成与当前温度相关的交流电压信号；所述的电阻器3与温度传感器2相连，将温度传感器2两端的电压维持在模数转换器6的输入端电压采样区间内；所述的差分运算放大器4与温度传感器2相连，将温度传感器两端的电压信号相减，并放大至与模数转换器6的输入端电压采样区间相匹配；所述的均方根检测电路5与差分运算放大器4相连，将差分运算放大器4输出的交流电压信号转换成其均方根值，该值是一个直流信号；所述的模数转换器6与均方根检测电路5相连，对温度传感器2两端信号的均方根值进行采样，并转换成数字信号输出；所述的微控制器7与模数转换器6相连，读取模数转换器6的转换结果，并通过温度传感器的电阻-温度转换关系式计算得到当前温度值。
其所述高精度交流电流源1为可以输出10KHz以上交流信号的电流源，其输出电流精度应该在0.1%以上，输出信号幅度在0.1毫安培以上，输出信号频率要求可调节。交流电流源的精度会直接影响最终的温度转换精度，理论上交流电流的精度越高越好，但是考虑到电路本身的噪声和模数转换器的转换位数的影响，0.1%的电流源精度就可以满足要求。输出信号的频率取决于最终系统测量信号的敏感频率，考虑到一般精密测量系统的对低频段噪声比较敏感，10KHz的温度检测噪声对系统的影响可以被有效滤除。
所述温度传感器2为PT1000铂电阻，其阻值随着温度变化而变化，可以根据公式由当前的电阻值推算出当前温度值。PT1000铂电阻在接触式高精度的温度测量领域应用十分广泛，其测温范围广、性能稳定、精度较高，且后端电路简单。
所述差分运算放大器4将正负两端输入的模拟信号相减，并增益若干倍输出。考虑到温度测量的精度要求，在信号调理阶段需要尽可能地降低系统的电路噪声，因此差分运算放大器4应该选择一个低噪声的运算放大器。另外由于温度传感器两端的输入信号是交流信号，因此运算放大器的选择还应该考虑到带宽参数，一般选择带宽为输入信号频率2倍以上带宽的运算放大器即可满足要求。由于本系统输入信号带宽基本都在KHz量级，因此运算放大器的选择较多。
所述均方根检测电路5的主要参数是带宽。均方根检测电路的主要功能是将输入的交流信号转换成信号的均方根值并输出，因此均方根检测电路的带宽参数需根据差分运算放大器输出的信号带宽进行选型，目前绝大部分场景下的交流测温信号都在KHz量级，因此可以选择AD637芯片，其输入带宽在8MHz。
所述模数转换器6为ADC芯片，其将输入端的模拟信号转换成数字信号输出至微控制器7读取。ADC芯片的模拟-数字转换精度受ADC位数的限制，理论上，只要选择的ADC芯片的位数足够，我们可以将任何输入的模拟信号无失真地转换成数字信号，但是位数越高的ADC芯片价格会越高昂，且受制于系统中的其他噪声影响，过高的ADC位数是没有必要的。这里我们选择的ADC芯片位数应不低于14位，ADC芯片的采样速率取决于温度控制系统的闭环带宽，温度控制系统的闭环带宽越大，ADC芯片的采样带宽越高。理论上ADC芯片的采样速率应在温度控制系统的2倍以上。
所述微控制器7可以选择ARM处理器、DSP处理器或者FPGA芯片。所选择处理器芯片应该具备SPI接口或UART接口或I2C接口，以方便和模数转换器、交流电流源等模块进行通讯。由于FPGA价格相对较贵、开发更为复杂，因此一般选择以ARM处理器、DSP处理器居多。常用的ARM或者DSP芯片由于使用成熟，价格一般都比较低，加之其外部接口比较丰富，非常适合用在本发明这种嵌入式应用的场合中。
本发明的具体实施步骤包括：
S1：温度传感器2将高精度交流电流源1输出的交流电流信号转换成与当前温度相关的交流电压信号；
S2：电阻器3将温度传感器2两端的电压维持在模数转换器6的输入端电压采样区间内；
S3：差分运算放大器4将温度传感器2两端的电压信号相减，并放大至与模数转换器6的输入端电压采样区间相匹配；
S4：均方根检测电路5将差分运算放大器4输出的交流电压信号转换成其均方根值，该值是一个直流信号；
S5：模数转换器6对温度传感器2两端信号的均方根值进行采样，并转换成数字信号输出；
S6：微控制器7读取模数转换器6的转换结果，并通过温度传感器2的电阻-温度转换关系式计算得到当前温度值。
实施例1
我们假定高精度交流电流源1输出的电流激励峰峰值为ISOURCE，该激励电流源施加到温度传感器2和电阻器3两端，并分别在温度传感器2与电阻器3两端产生压降，压降大小与两者的电阻值成正比例，假定温度传感器的电阻值为R(t)，电阻器的阻值为RR，则温度传感器两端的电压压降计算公式为VR(t) =ISOURCE * R(t)，电阻器两端的电压压降计算公式为VR =ISOURCE * RR，温度传感器的低电平端电压值为VR，高电平端电压值为VR+VR(t)。电阻器3的作用是将温度传感器与地平面隔离，可以降低共模噪声对系统的影响，通过改变电阻器的阻值，也可以将温度传感器2两端的电压值（VR，VR+VR(t)）调整在一个合适的范围内，这有利于后端的ADC输入电压匹配。温度传感器2两端的电压分别输入到差分运算放大器4的正、负输入端，经过差分运算放大器4后得到与温度传感器两端压降值增益一定比例的电压值，假定差分运算放大器的增益设定为G，则差分运算放大器输出的电压值的计算公式可表示为VOPA = G * VR(t)。因为施加到温度传感器2上的电压是固定频率、固定幅度的交流电流信号，因此需要通过均方根检测电路5将差分运算放大器输出的交流信号VOPA转换成直流的均方根值VRSM。模数转换器6采集均方根检测电路5输出的均方根电压值，并将其转换成数字信号发送到微控制器7，在微控制器中7执行从采样电压值到温度值的计算。
我们可以通过以下公式得到交流电流源激励的均方根值
通过以下公式得到温度传感器2的电阻值，
通过以下公式换算得到此时的温度值
公式中VRSM是微控制器读取的电压值，G是差分运算放大器的增益，IRSM是交流电流源的激励电流源输出信号的均方根值，A、B为分度常数，其中A＝0.0038623139728， B＝-0.00000065314932626。
上述温度测量方法将温度测量系统产生的磁噪声由低频段搬移至测量系统不敏感的高频范围，提高整个测量系统的信噪比，进一步提升整个系统的极限测量范围，原理简单，工程实现性好，具有非常大的应用价值。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于高频交流信号的温度测量系统，包括高精度交流电流源（1）、温度传感器（2）、电阻器（3）、差分运算放大器（4）、均方根检测电路（5）、模数转换器（6）以及微控制器（7），其特征在于：所述的温度传感器（2）与高精度交流电流源（1）相连，将高精度交流电流源（1）输出的交流电流信号转换成与当前温度相关的交流电压信号；所述的电阻器（3）与温度传感器（2）相连，将温度传感器（2）两端的电压维持在模数转换器（6）的输入端电压采样范围内；所述的差分运算放大器（4）与温度传感器（2）相连，将温度传感器两端的电压信号相减，并将信号放大至匹配模数转换器（6）的输入电压采样区间；所述的均方根检测电路（5）与差分运算放大器（4）相连，将差分运算放大器（4）输出的交流电压信号转换成其均方根值，该值是一个直流信号；所述的模数转换器（6）与均方根检测电路（5）相连，对温度传感器（2）两端信号的均方根值进行采样，并转换成数字信号输出；所述的微控制器（7）与模数转换器（6）相连，读取模数转换器（6）的转换结果，并通过温度传感器的电阻-温度转换关系式计算得到当前温度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频交流信号的温度测量系统，其特征在于：所述高精度交流电流源（1）根据需求进行选择，当在实验室应用时选择高精度的电流源仪器进行交流电流源输出；当用于嵌入式系统时，选择带交流电流源输出模式的DDS芯片作为交流电流源。
3.根据权利要求1所述的一种基于高频交流信号的温度测量系统，其特征在于：所述温度传感器（2）选择PT1000铂电阻传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频交流信号的温度测量系统，其特征在于：所述电阻器（3）的电阻值根据模数转换器和差分运算放大器的工作范围进行选取。
5.根据权利要求1所述的一种基于高频交流信号的温度测量系统，其特征在于：所述的差分运算放大器选择低噪声运算放大器，其带宽大于高精度交流电流源的输出电流信号频率。
6.根据权利要求1所述的一种基于高频交流信号的温度测量系统，其特征在于：所述模数转换器（6）的位数取决于温度测量系统的灵敏度，同时受制于高精度电流源的精度值，所述模数转换器（6）的转换速率取决于均方根检测电路（5）的带宽。
7.根据权利要求1所述的一种基于高频交流信号的温度测量系统，其特征在于：所述微控制器（7）为单片机或ARM芯片，带有匹配模数转换器（6）的输出通信接口。
8.一种基于高频交流信号的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：温度传感器（2）将高精度交流电流源（1）输出的交流电流信号转换成与当前温度相关的交流电压信号；
S2：电阻器（3）将温度传感器（2）两端的电压维持在模数转换器（6）的输入端电压采样区间内；
S3：差分运算放大器（4）将温度传感器（2）两端的电压信号相减，并放大至可以匹配模数转换器（6）的输入端电压采样区间；
S4：均方根检测电路（5）将差分运算放大器（4）输出的交流电压信号转换成其均方根值，该值是一个直流信号；
S5：模数转换器（6）对温度传感器（2）两端信号的均方根值进行采样，并转换成数字信号输出；
S6：微控制器（7）读取模数转换器（6）的转换结果，并通过温度传感器（2）的电阻-温度转换关系式计算得到当前温度值。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168758A (zh) * | 2023-11-01 | 2023-12-05 | 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 | 高超声速飞行试验参数测试系统应用方法 |
| CN117168758B (zh) * | 2023-11-01 | 2024-01-23 | 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 | 高超声速飞行试验参数测试系统应用方法 |
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