热电偶温度信号的采集及其标定方法研究

中北大学学位论文

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.2.1 国外研究现状 (3)

1.2.2 国内研究现状 (4)

1.3 本文研究的主要内容及章节安排 (5)

2 热电偶温度采集设备总体设计思路

2.1 设计需求分析 (7)

2.2 总体设计思路 (7)

2.2.1 数据采集模式的确定 (7)

2.2.2 整体方案设计 (8)

2.3 本章小结 (11)

3 热电偶信号调理电路设计

3.1 热电偶参考结点补偿 (12)

3.1.1 补偿导线的应用 (13)

3.1.2 参考结点温度补偿电路 (18)

3.2 参考电压源的设计 (23)

3.3 模拟信号增益调整 (25)

3.4 热电偶信号滤波 (26)

3.5 采样变换电路过压保护 (30)

3.6 本章小结 (31)

4 采样量化电路及信号采集逻辑设计

4.1 采样量化电路设计 (32)

4.1.1 AD7621及外围电路设计 (32)

4.1.2 内部总线设计 (33)

4.2 信号采集逻辑设计 (34)

中北大学学位论文

4.2.1 AD7621采样控制逻辑设计 (35)

4.2.2 基于查找表的采样通道控制 (36)

4.2.3 双口RAM缓存控制优化设计 (38)

4.3 采样量化误差分析 (39)

4.3.1 模拟开关的直流误差 (39)

4.3.2 模数转换器的直流误差 (40)

4.3.3 信号的建立时间分析 (42)

4.4 电路设计优化 (44)

4.4.1 模拟开关的关断问题 (44)

4.4.2 模数转换器的性能优化 (45)

4.5 本章小结 (45)

5 热电偶温度采集设备标定方法研究

5.1 热电偶非线性补偿方法 (48)

5.1.1 最小二乘法拟合 (48)

5.1.2 查找表 (50)

5.1.3 NIST热电电压系数 (52)

5.2 温度采集设备标定方法 (54)

5.2.1 使用AD8495补偿的标定方法 (55)

5.2.2 使用AD590补偿的标定方法 (60)

5.3 改进的标定方法 (62)

5.4 采集设备性能测试与分析 (64)

5.4.1 测试平台的搭建 (64)

5.4.2 数据完整性测试 (64)

5.4.3 采集设备信噪比分析 (65)

5.4.4 测试结果及误差分析 (66)

5.5 本章小结 (67)

6 结论与展望

6.1 设计总结 (68)

6.2 下一步工作及展望 (68)

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果

致谢

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

温度是航空航天、武器研发过程中一个重要的测量参数，是衡量设备能否正常运行的一个重要指标[1]。在导弹的研制过程中，往往要进行多次试射，需要严密监测弹上设备的工作情况。影响电子仪器工作最重要的一个环境指标之一就是温度，因此准确有效的温度采集，可以为导弹研发提供可靠的依据。随着测试技术的发展，数据采集技术得到很大地提高。温度采集作为数据采集的一部分，得到迅速普及。温度采集设备主要研究的是温度信号的采集、存储和变换等问题，通过对仪器设备工作现场的环境温度进行采集，将温度参数最终转变为数字量传输，计算机对采集数据进行处理，再现原始的温度参数[2]。

温度传感器通过感应温度参数输出电压或者电流信号供温度采集设备采集，根据其是否需要供电，可以分为有源和无源传感器。热电偶作为无源传感器，不需要额外电源而直接将温度转换为热电势输出，同时还具有结构简单、性能稳定、测温范围宽、热响应时间快、无自发热，以及较高的准确度、稳定性和复现性等优点[3]。使其成为工业生产和科学研究中温度测量和控制领域得到最广泛应用的温度传感器。但受热电偶本身热电势率非线性、需参考结点补偿以及信号微弱易受干扰的影响，其信号调理电路复杂，使用不当会引入额外误差。同时还需要采用相应算法来补偿热电偶的非线性。

在热电偶的应用历史上，出现和使用过的热电偶达到几百种。其中国际上得到广泛应用并形成相应规范的有8种：B、E、J、K、N、R、S、T，确定了其输出热电势与对应温度的函数关系、最大允许误差以及标准分度表[4],[5]。常用热电偶的测温范围，从-270℃到1800℃，一些难熔金属热电偶如钨铼热电偶最高使用温度甚至达到2800℃，几乎涵盖了整个工程领域的测温范围。

温度采集设备的研制，对于导弹前期研发来说，具有重要的指导意义，它能够实时提供弹上环境温度参数，保证科学试验安全有效地进行。随着数据采集技术的迅猛发展与新型热电偶材料的涌现，更高效率、高精度的温度采集设备必将在未来的工农业生产、高新技术产业和科学研究中得到越来越广泛的作用。