一种高精度大量程温度测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度大量程温度测量系统，包括温度传感器、信号调理模块、通道切换选择模块、一级差分放大模块、二级差分放大模块、模/数转换模块、信号采集与处理单元、可调电压参考基准模块和固定电压参考基准模块。多个或单个温度传感器的变化通过信号调理和通道切换选择后与固定电压参考基准差分并放大，放大后的信号与反馈可调电压参考基准相减并放大，后经模/数转换器转换为数字量，信号采集与处理单元根据该数字量按算法反馈调整可调电压参考基准，完成大量程范围内高精度温度测量。本发明专利技术具有使用较低位数模/数转换器完成高精度、大量程温度测量的特点，在使用低位数模/数转换器的基础上测温精度有数量级的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度大量程温度测量系统
本专利技术涉及一种高精度、大量程温度测量系统，属于工业测量及控制领域。
技术介绍
铂电阻、热敏电阻、AD590等温度传感器被广泛应用于各种测温场合，这些温度传感器的输出信号多为电阻或电流信号，后端需经过调理或采样电路转换为电压信号。通常情况下，这些电压信号需要经过模/数转换器转换为数字信号后进行相应处理，因此采温电路的测量范围、测量精度与模/数转换电路的精度密切相关。例如：对-55℃—125℃的测温范围，如果要达到0.01℃的测量精度，则需要有效位数为15位以上的模/数转换器，如果需要达到-55℃—400℃的测温范围，同时测量精度达到0.005℃，则需要有效位数17位以上的模/数转换器。工业和商业应用环境下，有可以满足17位以上的模/数转换器，但高精度模/数转换器价格昂贵，同时对电路原理、电路印制板的布局布线要求极高，若外围电路处理不慎，则可能导致测量精度难以达到要求。在严苛应用环境下，缺乏高精度的模/数转换器，尤其是在严苛应用环境中同时有高可靠需求情况下，高位数高精度模/数转换器更是缺乏。目前国产高可靠应用领域可获得的最高精度模数转换器为14位模/数转换器B9243，其线性误差为2.5LSB，难以满足宽温度范围、高精度的温度测量需求。高精度测温方法中，有在传感器使用方法上开展工作的，如专利《一种热电阻温度测量电路》(专利号为03263202.9)，采用了三线制多通道的温度采集技术方案。文献《高精度铂电阻测温系统》(《光学精密工程》，2014年第4期)采用了一种改进型四线制的高精度测温方法。《一种高精度低自热多通道测温系统设计与实现》(《传感器与微系统》，2014年第1期)中以阻值比较法测温电路为基础，引入序列激励电压控制抑制测温电路的自热效应，提高了测温精度。但是目前没有公开文献报道提及在模/数转换器位数有限条件下提高测试精度的方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度大量程温度测量系统，利用低位数模/数转换器代替高位数模/数转换器，实现了在增大温度测量范围同时提高测温分辨率和测温精度，解决了现有宇航领域没有高位数模/数转换器的不足。本专利技术的技术解决方案是：一种高精度大量程温度测量系统，包括N个温度传感器、N个信号调理模块、通道切换选择模块、一级差分放大模块、二级差分放大模块、模/数转换模块、信号采集与处理单元、可调电压参考基准模块和固定电压参考基准模块；所述温度传感器与信号调理模块一一对应，每个温度传感器与对应的信号调理模块构成一个通道；每个温度传感器采集其所在位置的温度信号，并输出给对应的信号调理模块；每个信号调理模块对接收的温度信号进行高频去噪处理，并将处理后的温度信号转换为电压信号后输出给通道切换选择模块；通道切换选择模块接收信号采集与处理单元输出的通道切换控制信号以及每个信号调理模块输出的电压信号，根据通道切换控制信号选择对应通道信号调理模块输出的电压信号，并输出给一级差分放大模块；一级差分放大模块接收通道切换选择模块输出的电压信号以及固定电压参考基准模块输出的固定参考基准电压，将接收的电压信号与固定参考基准电压差分后放大，并将差分放大后得到的电压信号输出给二级差分放大模块；二级差分放大模块接收一级差分放大模块发送的电压信号以及可调电压参考基准模块输出的基准电压，将该电压信号与基准电压进行差分后放大，并将差分放大后得到的电压信号输出给模/数转换模块；模/数转换模块对接收的电压信号进行模/数转换，得到电压数字信号，输出给信号采集与处理单元；信号采集与处理单元向通道切换选择模块发送通道切换控制信号，在每一个通道切换控制信号下，根据反馈迭代算法控制可调电压参考基准模块输出的基准电压，得到模/数转换模块发送的有效电压，并将该有效电压转换成对应通道温度传感器所在位置的高精度温度信息，并向外输出；可调电压参考基准模块接收信号采集与处理单元输出的基准电压初始值和电压控制信号，根据基准电压初始值和电压控制信号实时调整基准电压，并将调整后的基准电压进行数模转换后输出给二级差分放大模块；固定电压参考基准模块向一级差分放大模块输出固定参考基准电压。所述信号采集与处理单元反馈迭代算法的实现过程为：(2.1)信号采集与处理单元向可调电压参考基准模块输出基准电压初始值0，使可调电压参考基准模块向二级差分放大模块输出的基准电压初始值为0；(2.2)信号采集与处理单元采集模/数转换模块发送的电压，并将该电压与一级差分放大模块的额定输出电压进行比较，当该电压不低于一级差分放大模块的额定输出电压时，进入步骤(2.3)；否则，将该电压作为所选通道高精度的有效电压，反馈迭代算法结束；(2.3)信号采集与处理单元向可调电压参考基准模块发送电压控制信号，使可调电压参考基准模块输出的基准电压增加ΔU，进入步骤(2.4)；(2.4)判断可调电压参考基准模块输出的基准电压是否超过可调电压参考基准模块的阈值，如果超过该阈值，则反馈迭代算法结束，信号采集与处理单元将一级差分放大模块的额定输出电压作为所选通道的有效电压；否则重复步骤(2.2)。所述步骤(2.3)中步进值ΔU按如下方式确定：(3.1)信号采集与处理单元根据模/数转换器需要提高的有效位数确定可调电压参考基准模块的可调档位M，实现公式如下：M>2n其中n为模/数转换器需要提高的有效位数；(3.2)根据一级差分放大模块的额定输出电压和可调电压参考基准模块(8)的可调档位确定ΔU，实现公式如下：其中U为一级差分放大模块的额定输出电压。所述温度传感器为铂电阻、热敏电阻、温度传感器AD590或热电偶。所述通道切换选择模块通过模拟开关或继电器实现。可调电压参考基准模块采用数/模转换器或通过切换多个不同标称电压值的电压参考基准源实现。信号采集与处理单元采用单片机、DSP、ARM或FPGA实现。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术通过在温度测量系统的模/数转换部分引入二级差分放大模块，并按照一定的步进值调整可调电压参考基准模块的基准电压，可将一级差分放大模块输出再次放大数倍，从而在后端模/数转换器位数一定的条件下，将宽范围的被测量按档位分成若干部分分段进行模/数转换，从而实现在宽范围内提高测量精度。即使用低位数模/数转换器实现较高温度测量精度，由此带来了如下益处：a.避免了高位数模/数转换器的使用，降低了印制电路板的布板难度；b.为某些特殊应用环境下(如卫星应用需求等)无高位数可用模/数转换器提供了一种高精度温度测量解决方案。(2)基于本专利技术的温度测量系统，采用目前可获得的最高位数模/数转换器，可以进一步提高温度测量精度和测量范围。附图说明图1为本专利技术的结构框图；图2为本专利技术信号调理模块、通道切换选择模块、一级差分放大电路和二级差分放大电路的连接关系图；图3为本专利技术信号采集与处理单元的程序流程图。具体实施方式本专利技术提出一种高精度、大量程的温度测量系统，如图1所示，包括传感器1、信号调理模块2、通道切换选择模块3、一级差分放大模块4、二级差分放大模块5、模/数转换模块6、信号采集与处理单元7、可调电压参考基准8和固定电压参考基准9。传感器1的变化通过信号调理2和通道切换选择3后与固定电压参考基准9差分放大，放大后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度大量程温度测量系统，其特征在于：包括N个温度传感器(1)、N个信号调理模块(2)、通道切换选择模块(3)、一级差分放大模块(4)、二级差分放大模块(5)、模/数转换模块(6)、信号采集与处理单元(7)、可调电压参考基准模块(8)和固定电压参考基准模块(9)；所述温度传感器(1)与信号调理模块(2)一一对应，每个温度传感器(1)与对应的信号调理模块(2)构成一个通道；每个温度传感器(1)采集其所在位置的温度信号，并输出给对应的信号调理模块(2)；每个信号调理模块(2)对接收的温度信号进行高频去噪处理，并将处理后的温度信号转换为电压信号后输出给通道切换选择模块(3)；通道切换选择模块(3)接收信号采集与处理单元(7)输出的通道切换控制信号以及每个信号调理模块(2)输出的电压信号，根据通道切换控制信号选择对应通道信号调理模块(2)输出的电压信号，并输出给一级差分放大模块(4)；一级差分放大模块(4)接收通道切换选择模块(3)输出的电压信号以及固定电压参考基准模块(9)输出的固定参考基准电压，将接收的电压信号与固定参考基准电压差分后放大，并将差分放大后得到的电压信号输出给二级差分放大模块(5)；二级差分放大模块(5)接收一级差分放大模块(4)发送的电压信号以及可调电压参考基准模块(8)输出的基准电压，将该电压信号与基准电压进行差分后放大，并将差分放大后得到的电压信号输出给模/数转换模块(6)；模/数转换模块(6)对接收的电压信号进行模/数转换，得到电压数字信号，输出给信号采集与处理单元(7)；信号采集与处理单元(7)向通道切换选择模块(3)发送通道切换控制信号，在每一个通道切换控制信号下，根据反馈迭代算法控制可调电压参考基准模块(8)输出的基准电压，得到模/数转换模块(6)发送的有效电压，并将该有效电压转换成对应通道温度传感器所在位置的高精度温度信息，并向外输出；可调电压参考基准模块(8)接收信号采集与处理单元(7)输出的基准电压初始值和电压控制信号，根据基准电压初始值和电压控制信号实时调整基准电压，并将调整后的基准电压进行数模转换后输出给二级差分放大模块(5)；固定电压参考基准模块(9)向一级差分放大模块(4)输出固定参考基准电压。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度大量程温度测量系统，其特征在于：包括N个温度传感器(1)、N个信号调理模块(2)、通道切换选择模块(3)、一级差分放大模块(4)、二级差分放大模块(5)、模/数转换模块(6)、信号采集与处理单元(7)、可调电压参考基准模块(8)和固定电压参考基准模块(9)；所述温度传感器(1)与信号调理模块(2)一一对应，每个温度传感器(1)与对应的信号调理模块(2)构成一个通道；每个温度传感器(1)采集其所在位置的温度信号，并输出给对应的信号调理模块(2)；每个信号调理模块(2)对接收的温度信号进行高频去噪处理，并将处理后的温度信号转换为电压信号后输出给通道切换选择模块(3)；通道切换选择模块(3)接收信号采集与处理单元(7)输出的通道切换控制信号以及每个信号调理模块(2)输出的电压信号，根据通道切换控制信号选择对应通道信号调理模块(2)输出的电压信号，并输出给一级差分放大模块(4)；一级差分放大模块(4)接收通道切换选择模块(3)输出的电压信号以及固定电压参考基准模块(9)输出的固定参考基准电压，将接收的电压信号与固定参考基准电压差分后放大，并将差分放大后得到的电压信号输出给二级差分放大模块(5)；二级差分放大模块(5)接收一级差分放大模块(4)发送的电压信号以及可调电压参考基准模块(8)输出的基准电压，将该电压信号与基准电压进行差分后放大，并将差分放大后得到的电压信号输出给模/数转换模块(6)；模/数转换模块(6)对接收的电压信号进行模/数转换，得到电压数字信号，输出给信号采集与处理单元(7)；信号采集与处理单元(7)向通道切换选择模块(3)发送通道切换控制信号，在每一个通道切换控制信号下，根据反馈迭代算法控制可调电压参考基准模块(8)输出的基准电压，得到模/数转换模块(6)发送的有效电压，并将该有效电压转换成对应通道温度传感器所在位置的高精度温度信息，并向外输出；可调电压参考基准模块(8)接收信号采集与处理单元(7)输出的基准电压初始值和电压控制信号，根据基准电压初始值和电压控制信号实时调整基准电压，并将调整后的基准电压进行数模转换后输出给二级差分放大模块(5)；固定电压参考基准模块(9)向一级差分放大模块(4)输出固定参考基准电压。2.根据权利要求1所述的一种高...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏金桥，向政，张俊杰，苏立娟，王公伯，朱士群，曾勇超，杨美娟，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11