李乳演 陳蘇紅 謝桂輝

摘? 要：為了實現(xiàn)無自旋交換弛豫態(tài)（SERF）原子自旋陀螺儀高精準、高穩(wěn)定的測溫目標，文章提出了一種改進的四線制比例測溫方法。選用超高精度FRSM金屬箔電阻，通過比例測量的方式抑制溫漂，同時采用高階數(shù)字濾波器降低噪聲，大大提高了系統(tǒng)的測溫精度。測試結(jié)果表明，該方法的測溫精度高達0.01 ℃，漂移量小于0.01 ℃，實現(xiàn)了多通道的溫度精確測量，可應(yīng)用于SERF原子自旋陀螺儀精密測溫系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：高精度;多通道溫度測量;四線制比例測量;LabView

中圖分類號：TP216? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0044-04

Multichannel and High-precision Temperature Measurement System

LI Ruyan1，CHEN Suhong1，XIE Guihui2

（1.College of Information Science and Engineering，Wuchang Shouyi University，Wuhan? 430064，China;

2.School of Automation，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan? 430074，China）

Abstract：In order to achieve the high-precision and high-stability temperature measurement goal on the Spin-Exchange Relaxation-Free（SERF）atomic spin gyroscope，this paper proposes an improved four-wire system proportional temperature measurement method. Ultra-precision FRSM metal foil resistor is selected to suppress temperature drift through proportional measurement. At the same time，high-order digital filter is used to reduce noise and greatly improve the temperature measurement accuracy of the system. The test results show that the temperature measurement accuracy of the method is as high as 0.01 ℃，and the drift is less than 0.01 ℃. It realizes multichannel temperature precision measurement and can be applied to the precision temperature measurement system of SERF atomic spin gyroscope.

Keywords：high-precision;multichannel temperature measurement;four-wire system proportional measurement;LabView

0? 引? 言

無自旋交換弛豫態(tài)（Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF）下，原子密度和信號信噪比大幅度提高，原子自旋陀螺儀感受外界載體微弱角速度的能力明顯增強[1]，這種特性使SERF原子自旋陀螺儀成為下一代高精度陀螺儀的重點發(fā)展方向之一。但是，要達到高質(zhì)量SERF態(tài)，必須使原子所在的堿金屬氣室的溫度保持高度準確和長期穩(wěn)定。否則，溫度的微弱波動將會引起原子數(shù)量及狀態(tài)的急劇變化，導(dǎo)致原子陀螺儀的精度和靈敏度大幅下降[2]。高精準、高穩(wěn)定的測溫技術(shù)是精密控溫的基礎(chǔ)和前提，也是國內(nèi)外公認的難點技術(shù)，開展相關(guān)研究對于實現(xiàn)超高靈敏度慣性測量具有十分重要的價值和意義。

傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)一般采用數(shù)字集成式芯片[3]、熱電偶[4]、熱電阻[5]等方式，測量精度較低，僅為0.2～0.5 ℃。以鉑電阻為溫度傳感器測溫精度高、穩(wěn)定度好，更適用于高精度測溫領(lǐng)域[6-9]。在鉑電阻測溫方法中，采用四線制接線法，通過恒流源驅(qū)動鉑電阻，將溫度測量轉(zhuǎn)換為電壓測量的方式能有效消除導(dǎo)線電阻、接觸電阻產(chǎn)生的誤差，精度高且成本低，應(yīng)用最為廣泛。然而，該方法對恒流源溫漂的敏感度高，其測量結(jié)果受溫度漂移的影響較大，平穩(wěn)性不好。

為此，本文提出了一種改進的四線制比例測溫方法，通過分析四線制比例測量原理，使用高精度、低溫漂金屬箔電阻作為參考電阻，將其兩端的電壓作為ADC的參考電壓，從而大大降低了溫度漂移對測量精度的影響。基于該方法，本文設(shè)計了一款多通道高精度測溫裝置，使用24位精度的ADS124S08芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片內(nèi)部自帶PGA放大器、恒流源和濾波器，大大降低了模擬電路的復(fù)雜度。經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被發(fā)送至上位機進行高階數(shù)字濾波，降低了噪聲，提高了測溫的精度。

1? 硬件設(shè)計方案

1.1? 高精度測量電路設(shè)計

四線制接線是指在鉑電阻的兩側(cè)分別接兩根引線，為鉑電阻提供恒定電流，將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過另外兩根引線將電壓信號引至測量端，這種方法可以避免引線電阻對測溫的影響，是一種高精度的測溫方法[10]。普通四線制測溫系統(tǒng)受電流漂移的影響，測溫精度較低，很難達到0.1 ℃量級。

通過對四線制比例測量原理的分析，本文的比例測量方案將VRef部分改為高精度的參考電阻。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

根據(jù)電路分析，RTD電阻的電壓為：

VRTD=RRTD·IEXC? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

又有：

VRTD×GainPGA=VRef·? ? ? ? ? ? ? （2）

GainPGA為PGA的增益，CodeRTD為ADC碼，CodeADC_Fullscale為ADC滿量程代碼。由式（1）和式（2）可得：

（3）

在采用同一激勵電流源IEXC的情況下：

VRef=IEXC·RRef? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

將式（4）帶入式（3）可得：

（5）

當(dāng)環(huán)境溫度變化范圍為0 ℃～850 ℃時，溫度與電阻值之間接近于線性的關(guān)系。滿足以下函數(shù)表達式：

RT=R·（1+AT+BT2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

RT為T時刻的電阻值，此時RT=RRTD，電阻初始值、A值、B值均固定不變。由式（5）和式（6）可知，當(dāng)前溫度值只與RRef、PGA及ADC有關(guān)。

通過四線制比例測量新方案，將與溫度有關(guān)的電阻值變成電壓信號傳送給PGA，對有噪聲的信號進行差分放大，然后在LabView上位機程序中采用高階數(shù)字濾波器降低噪聲，最后進行高精度AD采樣，得到低噪聲、低溫漂的采樣值。

1.2? 高精度參考電阻選型

基于上述四線制比例測量方案，選取VISHAY FOIL超高精度FRSM金屬箔電阻作為參考電阻RRef，該電阻具有0.01%的初始精度和0.05 ppm/℃（0 ℃～60 ℃）的溫度漂移。根據(jù)其datasheet可知，該電阻的溫度漂移典型值為0.2 ppm/℃，若此時RRef=1 kΩ，ΔT=20 ℃，將產(chǎn)生4 mΩ的漂移，對應(yīng)的溫度漂移量小于0.01 ℃，在最差條件下也能滿足漂移量小于0.01 ℃的要求。

1.3? 精密ADC選型

考慮到系統(tǒng)要求溫度測量精度高、溫漂小，因此選用內(nèi)部集成了PGA的精密ADC，型號為ADS124S08IPBS。如表1所示，在PGAbypassed情況下，增益漂移典型值為0.5 ppm/℃，最大值僅為1 ppm/℃。當(dāng)IEXC=100 μA、RTD=1.8 kΩ、ΔT= 20 ℃時，將產(chǎn)生3.6 μV的漂移，對應(yīng)的溫度漂移小于0.01 ℃，即在漂移最差的情況下也能滿足要求。

另外，系統(tǒng)要求測溫分辨率達到0.01 ℃，因此ADC采集的噪聲應(yīng)小于4 μV。由表2 ADS124S08芯片的技術(shù)數(shù)據(jù)手冊可知，在Sinc3濾波使能、全局斬波使能、PGA=1、DATA RATE=2.5的情況下，ADC采集的噪聲僅有1.2 μV，理論上對應(yīng)測溫分辨率可達0.003 ℃。

ADS124S08IPBS內(nèi)部集成的PGA具有高增益下高分辨率、低噪聲的優(yōu)點，且增益可編程，動態(tài)范圍為1～128，無須在每次改變范圍時進行定期校準。使用時將PGA配置為差分模式，利用差分放大電路的對稱性消除了放大電路在輸入端的溫度漂移。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為滿足技術(shù)要求的軟件功能的需要，系統(tǒng)軟件模塊主要分為三層：設(shè)備驅(qū)動層、數(shù)據(jù)處理層和人機交互層。設(shè)備驅(qū)動層位于操作系統(tǒng)核心層，負責(zé)本系統(tǒng)中串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)處理層是一個中間層，負責(zé)與設(shè)備驅(qū)動層的通信以及對人機交互層控制命令的接收、發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸。人機交互層位于最上層，主要負責(zé)解析后溫度數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)源連接狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)訂閱端狀態(tài)顯示、錯誤信息顯示、用戶參數(shù)輸入等。軟件系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

通道選擇部分共設(shè)計了8個通道，可以任意選擇要顯示的通道，并且可以同時顯示波形。溫度超限報警區(qū)域的閾值可以手動設(shè)置，當(dāng)輸入的溫度超過設(shè)置的閾值時，便會調(diào)用電腦程序發(fā)出警告，對應(yīng)的模塊也會顯示橙色。圖形縮放部分使用LabView自帶的VI，可以放大或縮小某一部分的波形。當(dāng)數(shù)據(jù)跳動幅度過大時會被認為是無效的數(shù)據(jù)，從而被自動過濾掉，并且顯示有數(shù)據(jù)突變（該功能可設(shè)置為關(guān)閉），即濾波狀態(tài)顯示。此外，還有數(shù)據(jù)存儲的功能，數(shù)據(jù)可以實時寫入以當(dāng)前日期命名的TXT格式的文件中。

3? 測試結(jié)果及分析

系統(tǒng)實物如圖3所示，測試時只用了通道4和通道8，通道8接溫漂電阻（PT1000），通道4接固定電阻（0.2 ppm/℃，2 kΩ，0.01%精度），msp430采集完成之后通過串口與運行著LabView的上位機程序的PC端進行通信。將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端，并保存為TXT文件。

分析圖4及圖5可知，接PT1000的測溫精度和漂移量低于0.01 ℃的要求，接高精度固定電阻的測溫精度和漂移量都達到了0.01 ℃的要求。本系統(tǒng)方案運行結(jié)果整體符合設(shè)計預(yù)期，各指標均達標。

4? 結(jié)? 論

在對四線制比例測量電路原理進行綜合分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款滿足SERF原子自旋陀螺儀高精度導(dǎo)航需求的多通道高精度測溫裝置。選用VISHAY FOIL超高精度FRSM金屬箔電阻作為參考電阻RRef，選用內(nèi)部集成了PGA的ADS124S08芯片作為精密ADC。通過采樣高精密參考電阻電壓與鉑電阻電壓的比值，消除了溫度漂移等因數(shù)對電流變化的影響。在LabView上位機程序中采用高階數(shù)字濾波器降低噪聲，最后通過高精度ADC對電壓信號進行采樣，將信號整合之后通過串口傳送給PC機，進行數(shù)據(jù)處理、保存及顯示。最終，實現(xiàn)了8通道溫度實時采集、顯示、繪圖、狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)保存，每秒更新一次數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測溫系統(tǒng)的測溫精度高達0.01 ℃，漂移量小于0.01 ℃。該裝置適用于SERF原子自旋陀螺儀高精度導(dǎo)航，并為其他實際應(yīng)用提供參考。

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作者簡介：李乳演（1988—），女，漢族，河南平頂山人，中級工程師，碩士，研究方向：嵌入式設(shè)計;陳蘇紅（1983—），女，漢族，江西吉安人，講師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)分析;通訊作者：謝桂輝（1988—），男，漢族，湖南衡陽人，講師，博士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。