CN118067275A - 一种多通道温度传感器本底噪声测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种多通道温度传感器本底噪声测量系统及方法，利用热接触装置将多通道温度传感器充分热接触，使它们达到同一热平衡态，具有相同的温度；利用加热制冷装置对其进行温度调制，进一步增加个通道间信号的相关性；最后相关性分析理论构建通道间的虚拟传函，从而将传感器测量信号建立相关性联系，然后基于功率谱分析思想，解出各个温度传感器的本底噪声，达到对温度传感器各通道非相关噪声的测量目的。该方法的优点是无需构建低温度噪声环境来排除对温度传感器本底噪声测量的干扰，可以有效降低测量成本，增加测量的便捷性。
Description
技术领域
本发明涉及一种多通道温度传感器本底噪声测量系统及方法，属于仪器噪声标定技术领域。
背景技术
在对仪器本底噪声进行测量时，一般所采用的方法通过输入零信号，采集仪器此时的输出信号作为仪器本底噪声。然而对于温度传感器来说，由于温度无处不在的特性，所以不可能构造零信号输入。再者，任意实际的温度计都有温度工作范围，不可能通过降温手段来获得零信号输入，即零信号输入法不适用于温度传感测量。正确测量温度传感器本底噪声的方法是构造温度稳定的环境，让温度传感器在稳定的温度环境中输出数据作为其本底噪声的上限。然而构造稳定的温度条件需要进行大量的隔热处理，特别地，当对温度传感器噪声测量精度要求很高的情况，比如在空间引力波探测中，对温度稳定性的指标要求为要想测量这样稳定的温度指标对传感器本底噪声的要求即需要小于/>这时对温度传感器的本底噪声测量与标定就显得非常重要，按照常规做法需要构造环境温度稳定性优于/>这需要付出非常大的代价。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多通道温度传感器本底噪声测量系统及方法，通过分析通道间的信号相关性，将通道间的非相关信号作为通道本底噪声，可以无需在稳定的温度条件下对温度传感器的测量噪声进行标定。
本发明的技术解决方案是：一种多通道温度传感器本底噪声测量系统，包括：
热接触装置，用于将待测多通道温度传感器中各个通道之间相互热接触并达到热平衡态；
加热制冷装置，用于对热接触装置进行热注入和热导出，实现对热接触装置进行温度调制；
数据采集模块，用于通过同一个采样时钟对不同通道的温度传感器进行模数转换和数据采集，并将处理后的温度传感器数据发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对处理后的温度传感器数据进行处理，获取各个通道的噪声，实现多通道温度传感器本底噪声的测量。
进一步地，所述热接触装置包括金属块；所述金属块表面打孔，并刻有凹槽；各通道温度传感器的传感头置于金属块的孔中，传感头导线从凹槽中引出。
进一步地，所述加热制冷装置包括：
驱动信号源，用于对加热制冷片施加可编程电流信号；
加热制冷片，安装在热接触装置的上下底面，用于调制热接触装置的热平衡态温度。
进一步地，所述数据处理模块的输入要求包括由用户指定所需要计算的频率段，或单个频率测量点；其输出包括各个通道温度传感器在输入要求的相应频率段或频率测量点的本底噪声幅值谱密度。
进一步地，所述多通道温度传感器本底噪声的测量包括：根据预设频率范围或频率点数据计算所测温度传感器各个通道的独立噪声功率谱密度为
其中，nk(f)表示通道k的本底噪声，为通道k的本底测量噪声功率谱密度，为通道i到通道j的测量数据在预设频点处的互功率谱密度值，N为通道个数，为通道i到通道k的傅里叶域的传递函数，*表示对复数取共轭。
一种多通道温度传感器本底噪声测量方法，包括：
待测多通道温度传感器中各个通道之间相互热接触并达到热平衡态；
通过同一个采样时钟对不同通道的温度传感器进行模数转换和数据采集；
对温度传感器数据进行处理，获取各个通道的噪声，实现多通道温度传感器本底噪声的测量。
进一步地，所述温度传感器数据为用户指定所需要计算的频率段或单个频率测量点处测得的数据。
进一步地，所述各个通道的噪声包括各个通道温度传感器在输入要求的相应频率段或频率测量点的本底噪声幅值谱密度。
进一步地，所述多通道温度传感器本底噪声的测量包括：根据预设频率范围或频率点数据计算所测温度传感器各个通道的独立噪声功率谱密度。
进一步地，所述各个通道的独立噪声功率谱密度为
其中，nk(f)表示通道k的本底噪声，为通道k的本底测量噪声功率谱密度，为通道i到通道j的测量数据在预设频点处的互功率谱密度值，N为通道个数，为通道i到通道k的傅里叶域的传递函数，*表示对复数取共轭。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明通过利用热接触装置将多通道温度传感头进行充分热接触，通过加热制冷装置进行温度信号进行调制，通过数据采集系统对多通道温度传感头的温度数据进行采集，最后通过数据处理算法获取多通道温度传感头各个通道的本底噪声幅值谱密度，实现在非稳定温度环境下对多通道温度传感器的本底噪声进行标定测量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明方法示意图；
图2为热接触装置设计图；
图3为热接触装置热接触孔设计图；
图4为数据处理算法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种多通道温度传感器本底噪声测量系统及方法做进一步详细的说明。
在本申请实施例所提供的方案中，如图1，包括多通道温度传感器本底噪声测量系统和多通道温度传感器本底噪声测量方法。
测量系统包括热接触装置，加热制冷装置和数据采集系统。其中，
热接触装置，用于将待测多通道温度传感器中各个通道之间相互热接触并达到热平衡态；
加热制冷装置，用于对热接触装置进行热注入和热导出，实现对热接触装置进行温度调制；
数据采集模块，用于通过同一个采样时钟对不同通道的温度传感器进行模数转换和数据采集，并将处理后的温度传感器数据发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对处理后的温度传感器数据进行处理，获取各个通道的噪声，实现多通道温度传感器本底噪声的测量。
其中热接触装置为铝制金属块，加热制冷装置的帕尔贴加热制冷片是贴在热接触装置表面的，如图2所示；而待测的多通道温度传感器的传感头则是利用水解胶粘在热接触装置内部，如图3所示。
基于相同的发明构思，多通道温度传感器本底噪声测量方法包括：
将温度传感器的传感头置于热接触装置中充分热接触，使温度传感器各个通道的传感头达到同一个热平衡态，根据热力学第零定律，这时传感头间具有相同的温度，如此在多通道间构建了相关性联系；为了使各通道信号间的相关性增强，采用加热至冷装置对热接触装置的温度进行调制；最后通过相关性分析理论，以其他通道的测量数据将待测通道的实际温度信号消除，解算得该通道的本底噪声，具体解算思路为：
按所设的第k个通道温度读出数据为Tk(t)，假设Tk(t)与其它通道通过时不变线性系统联系，它们的输出数据之间具有如下关系：
其中为假设的通道i到通道k的傅里叶域的传递函数，nk(f)表示通道k的本底噪声。利用功率谱密度指标来衡量噪声水平，可以计算得：
为了通过多通道输出数据估计出的值，首先需要估计出Hik(f)的值。利用如下判据估计/>的值，选择这样的传递函数，使得k通道剩余的数据与其它任一通道的测量数据非相关，其数学方程为：
从中可以解出Hik(f)的值为
于是可由公式(2)计算得到第k通道的本底噪声功率谱密度值。
于是可得具体解算步骤如图4所示为：
(1)通过数据采集系统记录的第k个通道温度读出数据为Tk(t)，并根据用户输入频率f，利用互功率谱密度算法对{Tk(f)|k＝1,...,N}进行变换，得到互功率谱密度数据集
(2)通过互功率谱密度数据集，按照以下公式计算传递函数数据集
得到
最后根据上述(1)(2)得到的互功率谱密度数据集和传递函数数据集/>计算k个通道本底噪声为：
(3)测量完成之后，断开电源，将热接触装置浸泡在常温水中，将水解胶溶解，取出温度传感头即可。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种多通道温度传感器本底噪声测量系统，其特征在于，包括：
热接触装置，用于将待测多通道温度传感器中各个通道之间相互热接触并达到热平衡态；
加热制冷装置，用于对热接触装置进行热注入和热导出，实现对热接触装置进行温度调制；
数据采集模块，用于通过同一个采样时钟对不同通道的温度传感器进行模数转换和数据采集，并将处理后的温度传感器数据发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对处理后的温度传感器数据进行处理，获取各个通道的噪声，实现多通道温度传感器本底噪声的测量。
2.根据权利要求1所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量系统，其特征在于，所述热接触装置包括金属块；所述金属块表面打孔，并刻有凹槽；各通道温度传感器的传感头置于金属块的孔中，传感头导线从凹槽中引出。
3.根据权利要求1所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量系统，其特征在于，所述加热制冷装置包括：
驱动信号源，用于对加热制冷片施加可编程电流信号；
加热制冷片，安装在热接触装置的上下底面，用于调制热接触装置的热平衡态温度。
4.根据权利要求1所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量系统，其特征在于，所述数据处理模块的输入要求包括由用户指定所需要计算的频率段，或单个频率测量点；其输出包括各个通道温度传感器在输入要求的相应频率段或频率测量点的本底噪声幅值谱密度。
5.根据权利要求4所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量系统，其特征在于，所述多通道温度传感器本底噪声的测量包括：根据预设频率范围或频率点数据计算所测温度传感器各个通道的独立噪声功率谱密度为
其中，nk(f)表示通道k的本底噪声，为通道k的本底测量噪声功率谱密度，为通道i到通道j的测量数据在预设频点处的互功率谱密度值，N为通道个数，为通道i到通道k的傅里叶域的传递函数，*表示对复数取共轭。
6.一种多通道温度传感器本底噪声测量方法，其特征在于，包括：
待测多通道温度传感器中各个通道之间相互热接触并达到热平衡态；
通过同一个采样时钟对不同通道的温度传感器进行模数转换和数据采集；
对温度传感器数据进行处理，获取各个通道的噪声，实现多通道温度传感器本底噪声的测量。
7.根据权利要求6所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量方法，其特征在于，所述温度传感器数据为用户指定所需要计算的频率段或单个频率测量点处测得的数据。
8.根据权利要求6所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量方法，其特征在于，所述各个通道的噪声包括各个通道温度传感器在输入要求的相应频率段或频率测量点的本底噪声幅值谱密度。
9.根据权利要求6所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量方法，其特征在于，所述多通道温度传感器本底噪声的测量包括：根据预设频率范围或频率点数据计算所测温度传感器各个通道的独立噪声功率谱密度。
10.根据权利要求9所述的一种多通道温度传感器本底噪声测量方法，其特征在于，所述各个通道的独立噪声功率谱密度为
其中，nk(f)表示通道k的本底噪声，为通道k的本底测量噪声功率谱密度，为通道i到通道j的测量数据在预设频点处的互功率谱密度值，N为通道个数，为通道i到通道k的傅里叶域的传递函数，*表示对复数取共轭。
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