热敏电阻温度测量的对数优化曲线拟合法
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2008正 第6期 仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor 2008 No.6
热敏电阻温度测量的对数优化曲线拟合法
邱晓波 ,单东升 ,杜峰
(1.装甲兵工程学院控制工程系,北京100072;2.北京理工大学信息科学技术学院,北京100081)
摘要:基于热敏电阻的测温方案,因其成本低、稳定性强、互换性好而得到普遍应用。然而由于其电阻一温度特性表
现出强烈的非线性特点,在实际应用中常常通过查表实现,占用内存大,通用性不好。而基于对数优化的曲线拟合方法, 只需离线确定拟合多项式系数即可实现对温度的精确测量。实验表明:该方法精度高、编程简单、通用性强。
关键词:热敏电阻;温度测量;曲线拟合 中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1002—1841(2008)o6—0091—02
Polynomial Curve Fitting with Natural Logarithm
Optimization for Measuring Temperature with Thermistance
QIU Xiao—bo ,SHAN Dong—sheng ,DU Feng
(1.Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China;
2.Beijing Institute of Technology,Beijing 1伽崛l,China)
Abstract:The technique which used thermistance to measure temperature is widely applied for its steady parameter and low
cost.The parameter table which needs more memory is frequently used to improve the measure precision.The natural logarithm optimization method is applied for polynomial calve fitting which used to fit the thermistance parameter table.Only computed four
coefficient of the polynomial offline,temperature Can be measured accurately.Experiment shows that this method has better per-
formance than the old one. Key words:thermistance;temperature measure;polynomial calve fitting
0引言
随着工业自动化程度的不断提高,在过程控制、家电产品
等应用中,温度测量得到越来越广泛的应用。常见的温度测量
方案包括热电偶、热敏电阻和集成温度传感器等。虽然热敏电
阻的测温范围相对热电偶稍小,需要电源激励,并且不能够瞬 时测量温度的变化,但是其稳定性强、互换性及准确性较好,成
本低廉,因此,在非极端测温环境应用中,基于热敏电阻的测温 方案得到普遍应用。热敏电阻按温度对电阻特性变化一般可 分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻及临界温度系
数热敏电阻。正温度系数热敏电阻及l 界温度系数热敏电阻
的电阻特性会在特定温度发生急剧变化,适合用于定温度检测
或限制在较小的温度范围内。所以,一定范围的温度测量应用 中常采用负温度系数热敏电阻。其原理如图1所示。 Vcc
热敏电阻 ADC
图1 负温度系数热敏电阻测温原理图
收稿日期:2007—06—17收修改稿日期:2008一O1—14 利用负温度系数热敏电阻测量温度时的误差来源包括热 敏电阻本身的误差、偏置电阻 的误差、偏压电源 的误差、
ADC的误差及测量噪声所造成的误差等。这其中最大的误差 源是热敏电阻本身的阻值变化随温度变化非线性,且变化范围
很大(通常是几百Q到几百kl1)造成的。如果这个环节处理 不好,将产生较大的测量误差。
对于定型的热敏电阻,生产厂家都提供一个电阻一温度特
性表,精度可达1 oC.为了提高测量精度,在实际应用中,硬件
处理上常采用可变增益放大器和12bit以上A/D变换器,软件 设计中通常采用查表结合插值的方法。这种方案对存储器容
量和硬件设计提出较高要求。 提出一个对数优化的曲线拟合温度测量方案,采用12bit
A/D变换器,在一2O一60℃测温范围内测量精度可达0.15 oC, 其他范围误差小于0.25 oC. 。
1负温度系数热敏电阻特性
负温度系数热敏电阻的电阻一温度特性可用式(1)近似表
示 尼=R。.e (1/r2一‘ ’ (1
式中: 为绝对温度为 时的电阻,n; 为绝对温度为 时 的电阻,fl;B为电阻在两个温度之间变化的函数。
曰:孥/R, @TI\ (2)
通常,生产厂家会给出热敏电阻的 值参考范围。然而式 维普资讯 http://www.cqvip.com Instrument Technique and Sensor
(2)只是近似描述了温度与阻值之问的关系,如果按照该式去 测量温度将会带来很大的误差。
2电阻一温度特性表的曲线拟合
多项式曲线拟合是一种常用的数值计算和分析的数学方 法…。以电阻~温度特性表为数据样本,用曲线拟合方法离线
求取负温度系数热敏电阻的阻值与温度之间的函数关系式系
数。在实际使用中直接将测量的阻值带入已经预先得到的多
项式函数关系式中,即可得到温度测量值。由于在在线温度测
量计算过程中涉及到浮点运算和乘法等运算过程,并且过去的 微处理器计算能力较弱,使得计算实时性较差。现在随着微处 理器计算能力的增强,数值计算的障碍已不存在,问题只在于
曲线拟合的精度是否满足要求。
以下就以常用的3950K一1Okn@25℃型热敏电阻的一3O
~9O℃之间的数据为例进行曲线拟合计算。要求在样本点处
的拟合误差小于0.1℃.将该型热敏电阻的电阻一温度特性表
的数据描绘到电阻一温度坐标系中,如图2所示。 lOO 8O 6O 4O 20 o 2O 4O
图2 3950K一10k1-1@25℃型热敏电阻一温度特性图 由图2可见,负温度系数热敏电阻的阻值变化范围很大
(由一3O oC时的176.1 kn变化到9O℃时的905.2 Q),并且曲
线弧度很大,呈现强烈的非线性特点。 采用一般的基于最小二乘法的曲线拟合计算方法,直接对
以上数据进行全范围计算,经验证,无论采用2次还是3次多 项式以上的曲线拟合,拟合误差均很大,无法满足实用要求。
因此考虑采用分段曲线拟合法,分成[一3O℃,一2O℃]、
[一2O℃,0℃]、[0℃,20℃]、[2O℃,6O℃]、[6O oC,9O℃]5
个区问,每段采用二次多项式曲线拟合,通过结果分析,误差约
为±0.5 oC.
虽然计算结果可以接受,但在计算时首先要进行分区判
断,并且样本点处的拟合误差依然大于0.1 oC.原因是待拟合 曲线过于弯曲。由负温度系数热敏电阻的近似公式(1)及图2
可知,其电阻一温度特性所表现出的基本是指数函数特点:
R=n・e (3)
即 T=nlInR—bI (4)
式中n、b、n。、b 是由式(1)变换所得的系数。
由式(4)可见,在温度 和电阻值的自然对数ln R之间近 似为直线关系。所以,将电阻一温度特性表中的阻值数据进行
对数优化,可得图3所示的特性曲线图。
在此基础上,对以上数据进行三次多项式曲线拟合,得到
多项式拟合公式。
T=一0.102 9.(1nR) +2.250 3・(1nR) 一31.479 2・ 图3 电阻值对数优化后的电阻一温度特性图 (1nR)+86.779 4 (5) 实际应用中的算法流程为:A/D采集热敏电阻的输出电 压,按硬件设计给定条件,计算热敏电阻的阻值R ;计算R =
lnR ;将R 代入式(5),计算温度值。
3误差分析与实验结果
按以上拟合公式计算,样本点处的误差见图4。
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图4对数优化曲线拟合误差
可见,优化之后的拟合误差最大为0.062 9 oC.参见图1, 选择偏置电阻R=8.2 kn(1%精度),偏置电压V =2.5 V
(1%精度),使用10bit A/D变换器(令其参考电压=Vc 变换
结果=D 。),则热敏电阻的测量值为
= ㈤
DAD・R 1 024一DA。 则由式(6)可知,热敏电阻阻值R.的测量值与偏置电压
无关,与偏置电阻及A/D变换结果的参数变化灵敏度为
掣DAD ̄.古D R:!! !. 一 aR . 一
1 024一DAD (7)
s‰:掣.告D R: 1 024 D L)DAD— aDAD AD・ 一 一 AD/l \。,
1 024一DA。 由式(7)知,偏置电阻R的I%偏差将使得测量阻值产生
1%的偏差;由式(8)可知,D 。越大,对测量值产生的偏差越小。
所以,在系统设计中应该尽可能选择温度系数小的精密电阻和
高于8 t采样精度的A/D变换器。
参考3950K一10 kn@25%型热敏电阻的电阻一温度特性 表,由偏置电阻 的1%偏差带来的测温误差约为0.2~
0.3 oC;由1O bit A/D变换器1LSB偏差带来的测温误差,在一
2O~60℃的测温范围内,约为0.07~0.15℃,(下转第98页)
维普资讯 http://www.cqvip.com 98 Instrument Technique and Sensor
其中A 为偏差;B 为偏差变化率;P 、i 和d 为在偏差为
A ,偏差变化率为B 下的PID控制器的AK AK。、AKd输出。 系统的控制精度取决于控制算法中的系数K。、K,和 的
值,在实际系统中, 、 和 的取值采用常规整定方法得
到并通过键盘预置进行初始快速调整 ,运行时根据误差e和
误差变化率ec选择适当的模糊化和去模糊化方法,利用模糊控
制规则表,得模糊PID控制器的参数Kp、K 、 .K =K +△Kp;
Ki=K +AKi;Ka=K d+△Ka;在线对PID参数进行修改。
3实际应用
氧储罐是1个具有气容量的对象,当系统运行以后,氧压 机将管道输送来的氧气压入氧储罐中,氧储罐中氧气压力逐渐
升高,氧储罐有一定的容量滞后;另外,用压力变送器测量压力 时,信号传输具有一定的纯滞后;其余环节可视为比例环节。 该系统应是1个一阶溃性环节、1个比例环节和一个滞后环节,
即系统模型具有式(4)的形式:
/ s+1 (4)
应用阶跃响应曲线法测试该系统的模型参数,对氧储罐进
行测量,几次测量数据的结果并不相同。最后通过选取较接近
的数据并对数据进行拟合处理,确定K、 、 各参数分别为K=
13.5.Tp=150 s。 =8 s. 氧储罐的最终压力为0.7 MPa,图5(a)及图5(b)给出了
1.oo
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