張亞芳

(阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽阜陽(yáng) 236031)

溫度傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中應(yīng)用時(shí)，對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求[1]。高精度鉑熱電阻溫度傳感器在日常生活中的應(yīng)用更加廣泛。相比于其它溫度傳感器，鉑熱電阻溫度傳感器的分辨率與測(cè)量精度較高，對(duì)于測(cè)量過(guò)程中存在的干擾，具有較強(qiáng)的抵抗能力，可以直接利用計(jì)算機(jī)處理測(cè)量數(shù)據(jù)[2]。鉑熱電阻溫度傳感器適用于-200-650℃范圍的溫度測(cè)量，智能測(cè)溫時(shí)需要對(duì)其校正[3]，提升溫度傳感器的測(cè)溫精度，便于其更好的應(yīng)用。鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫時(shí)，其誤差主要由于傳輸線的電阻值、鉑熱電阻本身的非線性誤差以及數(shù)模轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理電路等模塊造成。采用激光測(cè)量等檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)軟件滿足鉑熱電阻的線性處理要求，提升溫度傳感器的測(cè)量精度[4]。利用激光干涉測(cè)量方法，確定鉑熱電阻溫度傳感器輸入與輸出之間的比例關(guān)系，利用激光干涉測(cè)量方法，衡量智能測(cè)溫過(guò)程中溫度的差異，將溫度直接溯源于激光波長(zhǎng)以及時(shí)間/頻率范圍，實(shí)現(xiàn)智能測(cè)溫過(guò)程的高效校準(zhǔn)，提升鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫的測(cè)量精度以及可靠性。針對(duì)當(dāng)前在智能測(cè)溫校準(zhǔn)中存在的問(wèn)題，下文將論述基于激光干涉測(cè)量的鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫校準(zhǔn)方法。

1鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫校準(zhǔn)

1.1鉑熱電阻溫度傳感器

鉑熱電阻溫度傳感器依據(jù)溫度變化時(shí)，電阻伴隨變化的物理特征進(jìn)行溫度傳感。依據(jù)歐姆定律，可得鉑熱電阻導(dǎo)體的電阻率σ表達(dá)式如下：

σ=E/ρ

(1)

式(1)中，ρ與E分別表示鉑熱電阻的電流密度以及電場(chǎng)強(qiáng)度。

受鉑熱電阻材料內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的作用，電荷、自由電子數(shù)以及電子定向運(yùn)動(dòng)速度平均值與鉑熱電阻的電流密度為正向作用關(guān)系[5]。

溫度固定時(shí)，對(duì)于鉑熱電阻材料這一金屬導(dǎo)體，其電阻R的表達(dá)式如下：

R=σl/s

(2)

式(2)中，s與l分別表示鉑熱電阻材料的截面積以及長(zhǎng)度。

分析以上過(guò)程，利用電阻可以表示鉑熱電阻材料的電阻率受溫度的影響。即外界溫度變化時(shí)，鉑熱電阻材料的電阻將存在變化。依據(jù)鉑熱電阻受溫度影響[6]，電阻變化的特性，設(shè)計(jì)鉑熱電阻溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 鉑熱電阻溫度傳感器

圖1選取PT100鉑熱電阻作為鉑熱電阻溫度傳感器的導(dǎo)體材料。利用PT100鉑熱電阻作為溫度測(cè)量的電阻，利用多個(gè)元器件與NE5532芯片結(jié)合，對(duì)電阻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。放大電阻信號(hào)后，輸出電阻信號(hào)對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，將模擬電壓信號(hào)傳送至比較電路中，利用比較電路對(duì)比當(dāng)前值與設(shè)定值[7]。當(dāng)前值高于設(shè)定值時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。PT100鉑熱電阻具有熱慣性測(cè)量滯后性小等優(yōu)點(diǎn)，是理想的測(cè)溫電子元件。溫度傳感器設(shè)置了NE5532的放大器集成電路，NE5532芯片具有雙運(yùn)算、低噪聲的優(yōu)勢(shì)。放大器集成電路的信號(hào)帶寬較小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。利用該放大器，組成溫度傳感器的比較電路、電橋電路以及放大電路。

1.2基于激光干涉測(cè)量的智能測(cè)溫校準(zhǔn)方法

應(yīng)用于鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫校準(zhǔn)的激光干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 激光干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)圖

圖2中，激光器發(fā)出的入射光，經(jīng)過(guò)透鏡后，利用分光棱鏡，分為兩束激光，兩束激光沿著光柵法線，對(duì)稱入射至光柵表面。激光干涉儀中的光電倍增管信號(hào)，沿著法線兩側(cè)的入射光對(duì)應(yīng)的衍射光形成干涉信號(hào)疊加結(jié)果。激光干涉測(cè)量過(guò)程中，主要存在以下兩種情況：

(1)激光器發(fā)射的入射光和衍射光位于法線兩側(cè)時(shí)，用ψ與-θ分別表示入射角以及衍射角，用OC與AB分別表示衍射光波陣面以及入射光波陣面，用v表示光柵平面的運(yùn)動(dòng)速度。初始時(shí)，激光點(diǎn)x與O點(diǎn)重合，時(shí)間變化為t時(shí)，兩點(diǎn)間的距離表達(dá)式如下：

x=vt

(3)

激光干涉測(cè)量經(jīng)過(guò)x點(diǎn)的入射光波陣面與衍射光波陣面的光程差長(zhǎng)度表達(dá)式如下：

Lψ=xsinθ+(O-B-x)sinψ

(4)

結(jié)合以上公式，獲取激光干涉測(cè)量過(guò)程中，由于光柵運(yùn)動(dòng)形成的多普勒頻移表達(dá)式如下：

Δfψ=V(sinθ-sinψ)/λ

(5)

公式(5)中，λ與V分別表示激光波長(zhǎng)以及傳感器電壓。

(2)激光干涉測(cè)量?jī)x的入射光和衍射光位于法線相同側(cè)時(shí)，用-i與-θ表示入射角與衍射角，獲取由于光柵運(yùn)行，形成的多普勒頻移表達(dá)式如下：

Δf-ψ=(sinψ+sinθ)V/λ

(6)

利用多普勒頻移計(jì)算結(jié)果，確定激光發(fā)射和接收的頻率之差，通過(guò)調(diào)節(jié)激光發(fā)射頻率，實(shí)現(xiàn)溫度的校準(zhǔn)。

利用激光干涉測(cè)量技術(shù)，對(duì)鉑熱電阻溫度傳感器的智能測(cè)溫過(guò)程進(jìn)行校準(zhǔn)。激光干涉測(cè)量的智能測(cè)溫校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能測(cè)溫校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖

分析圖3的智能測(cè)溫校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖，鉑熱電阻溫度傳感器與激光干涉儀，分別設(shè)置于光學(xué)聚焦系統(tǒng)即球面反射鏡的兩個(gè)焦點(diǎn)位置。光學(xué)聚焦系統(tǒng)由橢球面玻璃基底鍍金屬膜的反射鏡組成，其中設(shè)置了激光脈沖入射窗口，入射窗口的孔徑需要保證收集有效光的固定角度。為了充分利用激光干涉儀的校準(zhǔn)功能，將激光器的能量利用聚光鏡和全反射鏡匯聚，最終傳輸至被校準(zhǔn)的鉑熱電阻溫度傳感器中，激光干涉儀應(yīng)該具有高頻調(diào)制功能。

1.3最小二乘法的激光干涉參數(shù)確定

智能測(cè)溫校準(zhǔn)過(guò)程中，利用最小二乘法擬合測(cè)溫校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定最佳的激光干涉參數(shù)。最小二乘法是一種參數(shù)估計(jì)方法，該方法將溫度測(cè)量數(shù)值的平方和最小，作為誤差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，獲取激光干涉參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)結(jié)果。利用最小二乘法擬合激光干涉儀的校準(zhǔn)量時(shí)，通過(guò)參數(shù)估計(jì)結(jié)果，令溫度傳感器的測(cè)量值與實(shí)際溫度值的總誤差平方和最低。設(shè)激光干涉儀為單輸入單輸出系統(tǒng)，用u(z)與y(z)分別表示系統(tǒng)的輸入與輸出值，用c(k)與G(z)分別表示測(cè)量噪聲以及激光干涉儀模型，構(gòu)建表達(dá)式如下：

(7)

公式(7)中，ai與bi均為待估計(jì)參數(shù)矩陣β中的元素。

考慮激光干涉儀的測(cè)量噪聲時(shí)，構(gòu)建差分方程表達(dá)式如下：

(8)

用Hm表示觀測(cè)矩陣，將公式(8)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)矩陣的表達(dá)式如下：

Zm=Hmβ+1/Cm

(9)

公式(9)中，Cm表示測(cè)量噪聲矩陣。

(11)

利用激光干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行智能測(cè)溫校準(zhǔn)時(shí)，利用最小二乘法對(duì)激光干涉儀的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，確定激光干涉儀的最高功率與出光時(shí)間，利用最佳參數(shù)保障激光干涉儀維持在最佳校準(zhǔn)狀態(tài)。

2實(shí)例分析

為了驗(yàn)證所研究的智能測(cè)溫校準(zhǔn)方法，對(duì)測(cè)溫結(jié)果的校準(zhǔn)性能，將文章方法應(yīng)用于PT100鉑熱電阻溫度傳感器的智能測(cè)溫校準(zhǔn)中。文章方法利用最小二乘法，確定激光干涉測(cè)量?jī)x的運(yùn)行功率為最高功率的85%，激光器出光時(shí)間為6ms。

采用激光干涉儀進(jìn)行溫度校準(zhǔn)時(shí)，純調(diào)頻信號(hào)圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)激光干涉儀的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行解算處理，獲取激勵(lì)脈沖解算結(jié)果如圖5所示。

圖4 純調(diào)頻信號(hào)展開圖

圖5 激勵(lì)脈沖結(jié)果

由圖4、圖5可以看出，激光干涉測(cè)量?jī)x可以保持可靠的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)激光干涉儀的激勵(lì)脈沖解算結(jié)果，確定激光干涉儀的運(yùn)行狀態(tài)，為鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫校準(zhǔn)提供基礎(chǔ)。鉑熱電阻溫度傳感器伴隨測(cè)量溫度變化，電阻有所變化。溫度傳感器伴隨溫度變化時(shí)，其電阻變化結(jié)果如表1所示。

表1 溫度變化時(shí)鉑熱電阻變化

分析表1可知，鉑熱電阻在溫度測(cè)量結(jié)果變化時(shí)，電阻值同樣有所變化。伴隨測(cè)量溫度的提升，鉑熱電阻材料的電阻量勻速增長(zhǎng)。鉑熱電阻的溫度變化和電阻量呈正比，驗(yàn)證采用鉑熱電阻測(cè)量溫度的有效性。

鉑熱電阻溫度傳感器校準(zhǔn)前后，不同溫度時(shí)的電壓采樣結(jié)果如圖6所示。

圖6 電壓采樣結(jié)果

由圖6可以看出，采用文章方法利用激光干涉測(cè)量技術(shù)，對(duì)鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前后傳感器電壓存在一定變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用激光干涉測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能測(cè)溫的有效校準(zhǔn)。鉑熱電阻溫度傳感器電壓經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后有所變化，鉑熱電阻溫度傳感器電壓變化時(shí)，溫度測(cè)量輸出值同時(shí)變化，驗(yàn)證文章方法可以實(shí)現(xiàn)溫度校準(zhǔn)。

將鉑熱電阻溫度傳感器應(yīng)用于機(jī)械零件加工過(guò)程中的溫度測(cè)量中。不同測(cè)溫點(diǎn)校準(zhǔn)前與校準(zhǔn)后的智能測(cè)溫結(jié)果如圖7所示。

圖7 智能測(cè)溫校準(zhǔn)結(jié)果

由圖7可以看出，采用文章方法利用激光干涉測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉑熱電阻溫度傳感器的智能測(cè)溫校準(zhǔn)。采用文章方法校準(zhǔn)后的溫度測(cè)量結(jié)果，更接近測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文章方法可以對(duì)鉑熱電阻溫度傳感器的智能測(cè)溫過(guò)程校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果理想。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證文章方法對(duì)鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫的校準(zhǔn)效果。統(tǒng)計(jì)不同溫度區(qū)間時(shí)，采用文章方法對(duì)鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫，校準(zhǔn)前與校準(zhǔn)后的測(cè)溫誤差，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 溫度傳感器智能測(cè)溫校準(zhǔn)誤差

分析圖8可知，采用文章方法利用激光干涉測(cè)量技術(shù)，對(duì)鉑熱電阻溫度傳感器進(jìn)行智能測(cè)溫校準(zhǔn)，不同溫度區(qū)間時(shí)，均可將測(cè)溫誤差降低至0.05℃以內(nèi)，誤差波動(dòng)較小，穩(wěn)定性高。未采用文章方法對(duì)傳感器校準(zhǔn)時(shí)，傳感器的智能測(cè)溫誤差高達(dá)0.1～0.4℃。該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，文章方法可以有效提升溫度傳感器的智能測(cè)溫精度，提升傳感器的應(yīng)用性能。

3結(jié)論

將激光干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于鉑熱電阻溫度傳感器智能測(cè)溫校準(zhǔn)中。利用激光干涉測(cè)量技術(shù)具有的校準(zhǔn)性能，提升鉑熱電阻溫度傳感器的測(cè)溫精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的測(cè)溫校準(zhǔn)，具有性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，提升溫度傳感器在工業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用場(chǎng)所的應(yīng)用性能。