基于激光干涉測量的鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫校準方法研究*

張亞芳

(阜陽職業技術學院 安徽阜陽 236031)

溫度傳感器在工業生產和農業生產等領域中應用時，對溫度測量的準確性和實時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量精度較高，對于測量過程中存在的干擾，具有較強的抵抗能力，可以直接利用計算機處理測量數據[2]。鉑熱電阻溫度傳感器適用于-200-650℃范圍的溫度測量，智能測溫時需要對其校正[3]，提升溫度傳感器的測溫精度，便于其更好的應用。鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫時，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模轉換和信號調理電路等模塊造成。采用激光測量等檢測技術的數據處理方法，通過軟件滿足鉑熱電阻的線性處理要求，提升溫度傳感器的測量精度[4]。利用激光干涉測量方法，確定鉑熱電阻溫度傳感器輸入與輸出之間的比例關系，利用激光干涉測量方法，衡量智能測溫過程中溫度的差異，將溫度直接溯源于激光波長以及時間/頻率范圍，實現智能測溫過程的高效校準，提升鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫的測量精度以及可靠性。針對當前在智能測溫校準中存在的問題，下文將論述基于激光干涉測量的鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫校準方法。

1鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫校準

1.1鉑熱電阻溫度傳感器

鉑熱電阻溫度傳感器依據溫度變化時，電阻伴隨變化的物理特征進行溫度傳感。依據歐姆定律，可得鉑熱電阻導體的電阻率σ表達式如下：

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強度。

受鉑熱電阻材料內部電場強度的作用，電荷、自由電子數以及電子定向運動速度平均值與鉑熱電阻的電流密度為正向作用關系[5]。

溫度固定時，對于鉑熱電阻材料這一金屬導體，其電阻R的表達式如下：

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度。

分析以上過程，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，鉑熱電阻材料的電阻將存在變化。依據鉑熱電阻受溫度影響[6]，電阻變化的特性，設計鉑熱電阻溫度傳感器，其結構圖如圖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體材料。利用PT100鉑熱電阻作為溫度測量的電阻，利用多個元器件與NE5532芯片結合，對電阻信號進行轉換。放大電阻信號后，輸出電阻信號對應的模擬電壓信號，將模擬電壓信號傳送至比較電路中，利用比較電路對比當前值與設定值[7]。當前值高于設定值時，及時發出警報。PT100鉑熱電阻具有熱慣性測量滯后性小等優點，是理想的測溫電子元件。溫度傳感器設置了NE5532的放大器集成電路，NE5532芯片具有雙運算、低噪聲的優勢。放大器集成電路的信號帶寬較小，驅動能力強。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基于激光干涉測量的智能測溫校準方法

應用于鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫校準的激光干涉測量結構如圖2所示。

圖2 激光干涉測量結構圖

圖2中，激光器發出的入射光，經過透鏡后，利用分光棱鏡，分為兩束激光，兩束激光沿著光柵法線，對稱入射至光柵表面。激光干涉儀中的光電倍增管信號，沿著法線兩側的入射光對應的衍射光形成干涉信號疊加結果。激光干涉測量過程中，主要存在以下兩種情況：

(1)激光器發射的入射光和衍射光位于法線兩側時，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表示光柵平面的運動速度。初始時，激光點x與O點重合，時間變化為t時，兩點間的距離表達式如下：

x=vt

(3)

激光干涉測量經過x點的入射光波陣面與衍射光波陣面的光程差長度表達式如下：

Lψ=xsinθ+(O-B-x)sinψ

(4)

結合以上公式，獲取激光干涉測量過程中，由于光柵運動形成的多普勒頻移表達式如下：

Δfψ=V(sinθ-sinψ)/λ

(5)

公式(5)中，λ與V分別表示激光波長以及傳感器電壓。

(2)激光干涉測量儀的入射光和衍射光位于法線相同側時，用-i與-θ表示入射角與衍射角，獲取由于光柵運行，形成的多普勒頻移表達式如下：

Δf-ψ=(sinψ+sinθ)V/λ

(6)

利用多普勒頻移計算結果，確定激光發射和接收的頻率之差，通過調節激光發射頻率，實現溫度的校準。

利用激光干涉測量技術，對鉑熱電阻溫度傳感器的智能測溫過程進行校準。激光干涉測量的智能測溫校準結構如圖3所示。

圖3 智能測溫校準的結構圖

分析圖3的智能測溫校準結構圖，鉑熱電阻溫度傳感器與激光干涉儀，分別設置于光學聚焦系統即球面反射鏡的兩個焦點位置。光學聚焦系統由橢球面玻璃基底鍍金屬膜的反射鏡組成，其中設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，最終傳輸至被校準的鉑熱電阻溫度傳感器中，激光干涉儀應該具有高頻調制功能。

1.3最小二乘法的激光干涉參數確定

智能測溫校準過程中，利用最小二乘法擬合測溫校準數據，確定最佳的激光干涉參數。最小二乘法是一種參數估計方法，該方法將溫度測量數值的平方和最小，作為誤差評判標準，獲取激光干涉參數的最優估計結果。利用最小二乘法擬合激光干涉儀的校準量時，通過參數估計結果，令溫度傳感器的測量值與實際溫度值的總誤差平方和最低。設激光干涉儀為單輸入單輸出系統，用u(z)與y(z)分別表示系統的輸入與輸出值，用c(k)與G(z)分別表示測量噪聲以及激光干涉儀模型，構建表達式如下：

(7)

公式(7)中，ai與bi均為待估計參數矩陣β中的元素。

考慮激光干涉儀的測量噪聲時，構建差分方程表達式如下：

(8)

用Hm表示觀測矩陣，將公式(8)轉化為狀態矩陣的表達式如下：

Zm=Hmβ+1/Cm

(9)

公式(9)中，Cm表示測量噪聲矩陣。

(11)

利用激光干涉測量技術對溫度傳感器進行智能測溫校準時，利用最小二乘法對激光干涉儀的參數進行辨識，確定激光干涉儀的最高功率與出光時間，利用最佳參數保障激光干涉儀維持在最佳校準狀態。

2實例分析

為了驗證所研究的智能測溫校準方法，對測溫結果的校準性能，將文章方法應用于PT100鉑熱電阻溫度傳感器的智能測溫校準中。文章方法利用最小二乘法，確定激光干涉測量儀的運行功率為最高功率的85%，激光器出光時間為6ms。

采用激光干涉儀進行溫度校準時，純調頻信號圖如圖4所示。通過對激光干涉儀的調頻信號進行解算處理，獲取激勵脈沖解算結果如圖5所示。

圖4 純調頻信號展開圖

圖5 激勵脈沖結果

由圖4、圖5可以看出，激光干涉測量儀可以保持可靠的運行狀態，通過激光干涉儀的激勵脈沖解算結果，確定激光干涉儀的運行狀態，為鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫校準提供基礎。鉑熱電阻溫度傳感器伴隨測量溫度變化，電阻有所變化。溫度傳感器伴隨溫度變化時，其電阻變化結果如表1所示。

表1 溫度變化時鉑熱電阻變化

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

鉑熱電阻溫度傳感器校準前后，不同溫度時的電壓采樣結果如圖6所示。

圖6 電壓采樣結果

由圖6可以看出，采用文章方法利用激光干涉測量技術，對鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫進行校準，校準前后傳感器電壓存在一定變化。實驗結果表明，利用激光干涉測量技術，可以實現智能測溫的有效校準。鉑熱電阻溫度傳感器電壓經過校準后有所變化，鉑熱電阻溫度傳感器電壓變化時，溫度測量輸出值同時變化，驗證文章方法可以實現溫度校準。

將鉑熱電阻溫度傳感器應用于機械零件加工過程中的溫度測量中。不同測溫點校準前與校準后的智能測溫結果如圖7所示。

圖7 智能測溫校準結果

由圖7可以看出，采用文章方法利用激光干涉測量技術，實現鉑熱電阻溫度傳感器的智能測溫校準。采用文章方法校準后的溫度測量結果，更接近測溫點的實際溫度。實驗驗證，文章方法可以對鉑熱電阻溫度傳感器的智能測溫過程校準，校準結果理想。

為了進一步驗證文章方法對鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫的校準效果。統計不同溫度區間時，采用文章方法對鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫，校準前與校準后的測溫誤差，對比結果如圖8所示。

圖8 溫度傳感器智能測溫校準誤差

分析圖8可知，采用文章方法利用激光干涉測量技術，對鉑熱電阻溫度傳感器進行智能測溫校準，不同溫度區間時，均可將測溫誤差降低至0.05℃以內，誤差波動較小，穩定性高。未采用文章方法對傳感器校準時，傳感器的智能測溫誤差高達0.1～0.4℃。該實驗進一步驗證，文章方法可以有效提升溫度傳感器的智能測溫精度，提升傳感器的應用性能。

3結論

將激光干涉測量技術應用于鉑熱電阻溫度傳感器智能測溫校準中。利用激光干涉測量技術具有的校準性能，提升鉑熱電阻溫度傳感器的測溫精度。通過實驗驗證，該方法可以實現溫度傳感器的測溫校準，具有性能穩定的特點，提升溫度傳感器在工業生產等應用場所的應用性能。