高精度测温电路

论述提高红外测温精度的温度补偿方法1 引言温度是表征物质状态的主要参数之一。

目前，测温方法主要分为接触式测温与非接触式测温。

后者主要以红外测温为主。

由于是非接触测温，故测温结果受到中间介质的影响比较大，当距离超过一定范围时，红外测温仪的测温精度将会降低，从而导致测量值不准确。

红外辐射在大气传播过程中，不可避免地要受到各种因素的干扰。

目前提高测温精度的方法主要通过搭建特定的测温系统和传感器后级补偿电路来实现，比如仪器内部的温度漂移和增益补偿、镜头视场外的辐射补偿以及不同季节下的操作温度补偿。

但此方法存在可变性差，只有在标称环境下使用才能达到较高精度的缺点。

进行温度补偿时，补偿公式与系统本身参数有关，导致补偿方法复杂难懂，适用条件苛刻，实用性不强。

为此，作者通过对影响红外测温精度的因素、红外辐射的基本原理进行分析和试验研究，提出了一种新的温度补偿方法。

通过实验，将所测温度与被测目标的真实参考温度做对比分析，并在不同的测温距离下，利用补偿公式得到一个相应的温度差值，使测温仪的精度得到提高。

相比目前的温度补偿方法，该方法具有简单易懂，应用方便，且不需要知道测量仪器的详细参数的优点，这对于工业测温应用领域获取设备运行精确温度参数具有重要意义。

2 红外测温原理自然界中任何高于绝对零度的物体都会向外界辐射红外电磁波。

通过对物体红外辐射能量的测量，来确定其表面温度，这就是红外测温仪测温的理论基础。

1900年，普朗克提出了黑体辐射量子假设后，利用谐振子能量分布应该满足麦克斯韦-波尔兹曼统计，求得普适函数表示如下，用波长可表示如下：（4）式（4）表示大气介质中辐射电磁波的衰减遵循指数衰减规律，称为波尔盖定律。

在接近地面的大气中，对红外辐射吸收起到了主导作用的是水蒸气和二氧化碳。

3.2 环境对红外辐射的散射作用当红外辐射在大气中传播时，大气分子会引起辐射散射。

散射可以看做是光子与大气分子发生弹性碰撞，改变了辐射方向，使得本应进入测量系统的能量并没有被吸收，从而造成误差。

常见热电阻测量电路的分析与比较摘要：在工业生产现场中，热电阻是一种重要的测量传感器，需要通过导线将测量信号传递到控制系统中，因此本文通过分析比较三种常见的接线方式，来说明导线对热电阻测量电路的影响。

关键词：接线方式；二线制；三线制；四线制一、背景介绍随着社会的发展，工业技术也不断进步。

在很多工业领域中，热电阻是一种将温度变化转化为电阻值变化的一次元件，在工业生产现场中，需要通过导线将电阻值信号传递到计算机控制系统中或其他仪表上。

由于其安装地与控制地存在一定的物理距离，不能忽视热电阻引线对其测量结果产生的较大影响，因此研究热电阻的接线方式具有重要意义。

二、常见测量电路的分析目前在生产中，常见的热电阻测量电路接线方式主要有三种：二线制、三线制和四线制。

这三种接线方式由于自身的优缺点应用于不同的场合，接下来将详细介绍这三种接线方式。

2.1 二线制接线电路二线制的接线方式就是从热电阻的两端各引出一根导线接入测量电路，从而导出电阻信号，这是热电阻最简单的一种接线方式，该测温原理图的等效电路图如图2-1所示。

其中，r为两根连接导线的电阻；为热电阻，是系统的感温元件；R为固定电阻，与热电阻及导线电阻构成惠斯通电桥。

图2-1 热电阻二线制等效电路图根据等效电路可以得出，显示仪表两端的电压：式2-1根据式2-1得出：式2-2在上式2-2中，R为测量电路中的已知量，可测量得出，因此，测量的距离较短或者在测量精度要求不高时，可以将导线电阻r忽略，视为r=0。

这时就可得出：式2-3采用二线制时，其一，并没有考虑导线电阻，但现实中导线电阻必然存在，导致较大的误差；其二，若采用这种电路进行精密温度测量，整个电路还必须在使用温度范围内。

因此这种接线方式只适合用于测量精度要求较低、传送距离较短的情况。

2.2 三线制接线电路三线制的接线方式是将一根导线从热电阻的根部引出，接到电桥的电源端；从另外一端引出两根导线，这两根导线分别接到热电阻所在的桥臂以及与其相邻的电桥桥臂上，等效电路图如图2-2所示。

热电偶温度ic全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：热电偶温度IC是一种用于测量温度的集成电路，它通过利用热电偶的热电效应将温度转换为电压信号，然后通过内部电路进行放大和处理，最终输出一个精确的数字温度值。

热电偶温度IC广泛应用在各种工业领域，如化工、冶金、医疗、食品等，其精准度和稳定性受到了广泛的认可。

热电偶是一种由两种不同金属线组成的传感器，当两种金属处于不同温度时，就会产生一个微小的电压信号。

热电偶的工作原理是基于塞贝克效应，即当两种金属的接触点处于不同温度时，会在接触点产生一个电动势。

热电偶温度IC通常包括一个热电偶传感器、一个放大器、一个模数转换器和一个数字信号处理单元。

热电偶传感器将温度转换为电压信号，放大器将电压信号放大到合适的范围，模数转换器将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理单元进行数据处理和输出。

热电偶温度IC的优点之一是其精准度高，可以达到0.1°C的精度。

这种高精度使其在一些对温度要求苛刻的应用中得到广泛应用，比如医疗领域的体温测量、食品加工中的温度控制等。

热电偶温度IC还具有反应速度快、抗干扰能力强、体积小、功耗低等优点。

这些优点使得热电偶温度IC在工业自动化领域得到了广泛应用，能够满足各种复杂环境下的温度测量需求。

在选择热电偶温度IC时，需要考虑其测量范围、精确度、反应速度、抗干扰能力、封装形式等因素。

不同的应用场景需要不同的性能指标，因此在选择热电偶温度IC时需要根据实际需求进行综合考虑。

第二篇示例：热电偶温度IC（Integrated Circuit）是一种用于测量和控制温度的智能设备，它由热电偶传感器和集成电路组成，能够实现高精度的温度测量和信号处理。

热电偶是一种利用两种不同金属导体连接而成的传感器，通过测量两种导体之间的温差来获取环境温度信息。

热电偶因其简单、稳定和精准的特点被广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗仪器、电力电气等领域。

在传统的热电偶温度测量中，需要将热电偶的信号传输至数据采集设备进行处理，这样会增加传输带来的误差和干扰。

热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结构等。

金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。

工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁—镍、钨、银等。

pt100 铂热电阻设计原理：pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。

应用范围：医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛。

组成的部分常见的pt1oo感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成薄膜铂电阻：用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2微米以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。

=================================================================================Pt100 温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：A 级±（0.15＋0.002│t│）， B 级±（0.30＋0.005│t│）；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤ 5mA。

另外，Pt100 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

铂热电阻的线性较好，在0~100 摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5 摄氏度。

应用领域宽范围、高精度温度测量领域。

利用PT100铂热电阻与TL431自制可读值温度传感器高二（5）班彭健蒋晟何况白梓龙指导老师：王健平一、问题的提出电子化生活成为了一种趋势,更多的工具迈向电子化,.而生活中最常用的水银温度计在打破后其玻璃碎片和水银能对人们造成伤害的危险,所以,我们提出了这样一个设想:能不能制作出一种简单实用的电子控制的温度计,为我们的日常生活提供更好的保障.目前可读值温度传感器（温度计量系统）已经广泛应用在工业、农业生活各个领域，而且有多种成型产品。

但传统产品为了注重其精度和适应各种环境，如高温、超低温、高湿度、电磁场等环境，加载了很多特殊防护进行了特殊处理，使得产品造价昂贵、结构复杂，得不到普及。

给技术人员尤其是学生进行实验，研究带来了困难。

本文将结合实验严究和实际应用于一身，自制一套价格低廉、量程大、精度高、原理简单、操作方便、拓展X围大的可读值温度传感器。

TL431是TL.ST公司研制开发的并联型三端稳压基准。

其参数高（高精度，低温漂），性价比高，他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置从2.5伏到36伏X围内的任何值。

近来在国内外得到了广泛应用。

本文介绍的测温电路，利用可调精密并联稳压器TL431和铂电阻构成工作电流可调的恒流源。

流过铂电阻的电流在极宽的阻值X 围内保持恒定值，有效的提高了温度测量精度。

二、研究的目1、为了使人们生活更加便捷安全。

2、减少水银之类的有害物质与人们接触的机会。

3、实现绿色环保，有利于大批量生产。

三、应用原理我们打算用热敏电阻作为探头,电流表作为表盘,利用电阻随温度变化而变化电流的方法得知温度数据.探头Pt100利用热敏电阻Pt100随温度增加电阻值减小的性质制作温度计探头具有灵敏度高、体积小、热响应快、缺点是非线性而且反应时间比较慢. 铂电阻测温精度高，性能稳定，互换性好，价格便宜，使用寿命长，测量X围大，应用十分广泛。

但一些测温电路没有采用恒流措施，使流过铂电阻的电流随其阻值变化而变化带来了较大的测量误差。

pn结测温原理快速而准确地测量温度对于现代工程应用非常重要。

在电子设备，尤其是半导体器件中，温度对于组件的性能和寿命至关重要。

因此，许多测温方法被开发出来。

其中一种测温方法是利用半导体材料中pn结的温度敏感特性。

pn结是半导体器件中最常用的结构之一。

它由n型和p型两种半导体材料相接而成。

当pn结处于静态状态时，存在电荷分离。

n区的自由电子流向p区，留下正空穴。

这种分离的电荷状态被称为空间电荷区。

当通过pn结的电流被施加时，电流从n区向p区流动。

在这种情况下，空间电荷区被压缩，电荷重新组合。

当电流反转时，pn结会阻止电流通过。

pn结具有温度敏感性。

留在p区的空穴和留在n区的自由电子的数量取决于温度。

因此，pn结的温度敏感性是由空穴和电子的数量变化引起的。

当温度升高时，受激进入p区的电子数量增加，这会导致在空穴阵列中增加更多的电子，并导致电荷分离减弱。

由此，空间电荷区的宽度和电荷重组区域的大小均会减少，减少会反过来影响pn结的电流流动。

因此，测量pn结的电流变化可以提供温度的准确度。

根据欧姆定律，当在两个端点之间施加恒定电势时，电流与电势成正比。

这是电子学中常见的法则。

因此，可以通过通过pn结施加特定的电压，来确定温度变化。

这个值被称为pn结的温度系数，它被定义为在给定电压下电流变化与温度变化之间的关系。

温度系数可以根据一些物理公式进行计算。

测量温度的方法与设备有关。

首先，两个端点间必须施加电压。

该电压必须足够高以产生足够的电流。

测试电路必须足够灵敏，以检测较小的电流变化。

测量pn结温度的方法可以由单个元件桥接电路实现，该桥接电路能够确定pn结的阴极和阳极之间的电阻变化。

该电阻随着温度的变化而变化，从而可以用来确定温度的变化。

此外，也可以使用温度变化的光谱响应来测量pn结的温度。

当pn结受到光照时会生成电荷，这可以被测量光电子学设备检测到。

当温度变化时，生成的光电流也会发生变化。

这个变化可以用来衡量温度变化。

热电偶电路设计方案全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：热电偶是一种常用的温度测量元件，其原理是利用不同金属之间的热电势差来实现温度测量。

热电偶电路设计方案是进行热电偶温度测量时必不可少的一部分，其设计的好坏直接影响到测量的准确性。

本文将详细介绍热电偶电路的设计方案，包括电路的基本原理、关键参数的选择，以及常见的设计方案及其优缺点。

一、热电偶电路的基本原理热电偶是利用两种不同金属之间的热电效应来实现温度测量的元件。

当热电偶的接线端温度发生变化时，两种金属之间会产生一个热电势差，通过测量这个热电势差来确定温度值。

热电偶的工作原理主要包括两点：温度差引起的热电势差和热电势差与温度值的关系。

二、热电偶电路设计的关键参数选择1、热电偶的材料选择：常见的热电偶材料有K型、J型、T型等，不同材料有不同的工作温度范围和精度要求，根据具体的应用场景选择合适的热电偶材料。

2、放大器的增益选择：热电偶产生的热电势差信号较小，需要通过放大器进行放大，选择合适的放大倍数来确保测量信号的准确性。

3、滤波器的设计：热电偶电路会受到环境噪声的干扰，需要设计滤波器来抑制噪声，提高信号质量。

4、参考电压的选择：热电偶电路通常需要一个稳定的参考电压作为基准，选择合适的参考电压来确保测量的准确性。

5、ADC分辨率的选择：ADC的分辨率决定了测量结果的精度，选择合适的ADC分辨率来满足实际需求。

三、常见的热电偶电路设计方案及其优缺点1、单端测量方案：将热电偶的一个端口接地，将另一个端口连接到测量电路。

优点是设计简单，缺点是信号容易受到干扰，准确性较低。

2、差动测量方案：将两个热电偶串联，通过测量两个热电偶之间的差值来实现温度测量。

优点是抗干扰能力强，准确性高，缺点是设计复杂。

3、冷端补偿方案：将热电偶的冷端接地，并通过一个补偿电路来抵消冷端温度对测量结果的影响。

优点是可以提高准确性，缺点是增加了设计的复杂性。

热电偶电路的设计方案是进行温度测量时的关键部分，设计方案的选择直接影响到测量结果的准确性和稳定性。

第３２卷第９期２０１９年９月传感技术学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳＶｏｌ ３２㊀Ｎｏ ９Ｓｅｐｔ.２０１９项目来源:基于物联网技术的污染场地修复作业ＨＥＳ智能管控平台的开发与应用项目(１８ＺＸＲＨＳＦ００２４０)收稿日期:２０１９－０４－２９㊀㊀修改日期:２０１９－０７－２５ＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＰＩＤ∗ＺＨＡＮＧＢａｏｆｅｎｇ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＹａｏ１ꎬ２ꎬＺＨＵＪｕｎｃｈａｏ１ꎬ２∗ꎬＤＯＵＺｉｗｅｎ１ꎬ２ꎬＦＵＹｅ１ꎬ２(１.ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓ＆ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＴｉａｎｊｉｎ３００３８４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ＆ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＣｏｍｐｌｉｃａｔｅｄＳｙｓｔｅｍꎬＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｉａｎｊｉｎ３００３８４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｏｎ￣ｓｉｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｉｅｌｄꎬａｐｏｒｔａｂｌｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＰＩＤｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.ＴｈｉｓｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｆｕｚｚｙａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｅｔｔｈｅＰＩＤｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎬｓｏｔｈａｔｉｔｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒ￣ａｔｕｒｅｓｅｇｍｅｎｔｓ.Ｔｈｉｓｓｅｔｏｆｈｉｇｈ￣ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｂｕｉｌｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅＴＥＣＤｒｉｖｅｍｏｄｕｌｅｂａｓｅｄｏｎＨＢｒｉｄｇｅＤｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｈｅｐｌａｔｉｎｕｍｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＰＴ１０００ａｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ.Ｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｒａｎｇｅｉｓｂｅｔｗｅｅｎ－２０ħａｎｄ１２０ħꎬｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎ￣ｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎʃ０.００５ħꎬａｎｄｃａｎｂｅｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｓｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅｗｉｔｈｌｉｔｔｌｅｏｖｅｒ￣ｓｈｏｏｔ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｍａｌｌｉｎｓｉｚｅａｎｄｅａｓｙｔｏｃａｒｒｙꎬｗｈｉｃｈｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｏｎ￣ｓｉｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｎｃｏｍｐｌｅｘｏｃｃａｓｉｏｎｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌꎻｆｕｚｚｙＰＩＤꎻｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｏｌｅｒꎻｃｌｏｓｅｄ￣ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌＥＥＡＣＣ:７２３０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００４－１６９９.２０１９.０９.０２２基于模糊ＰＩＤ的高精度温度控制系统∗张宝峰１ꎬ２ꎬ张㊀燿１ꎬ２ꎬ朱均超１ꎬ２∗ꎬ豆梓文１ꎬ２ꎬ符㊀烨１ꎬ２(１.天津理工大学光电器件与通信技术教育部工程研究中心ꎬ天津３００３８４ꎻ２.天津理工大学电气电子工程学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室ꎬ天津３００３８４)摘㊀要:为满足工业生产领域对温度传感器现场标定的需求ꎬ设计了一套基于模糊ＰＩＤ的便携式高精度温度控制系统ꎮ使用模糊算法对ＰＩＤ参数进行自动控制和整定ꎬ满足对不同温度段的控制要求ꎬ根据Ｈ桥驱动电路搭建ＴＥＣ驱动模块ꎬ利用铂电阻ＰＴ１０００作为温度传感器ꎬ设计并完成了一套高精度温度控制系统ꎮ实验表明ꎬ在－２０ħ~１２０ħ的控温范围之间ꎬ系统控温精度优于ʃ０.００５ħꎬ并可以长期稳定在设定温度ꎬ超调量小ꎮ系统体积小ꎬ携带方便ꎬ可以满足复杂场合现场标定温度传感器的需求ꎮ关键词:温度控制ꎻ模糊ＰＩＤꎻ半导体制冷器ꎻ闭环控制中图分类号:ＴＰ３９３㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００４－１６９９(２０１９)０９－１４２５－０５㊀㊀温度的测量是工业生产中一个重要指标ꎬ其精度严重影响产品质量㊁生产工艺和生产安全ꎬ需要定期对温度传感器进行计量和校准ꎬ以保证温度测量的精度[１]ꎮ但在某些特定场合ꎬ如工业生产线或者石油钻井平台ꎬ温度传感器难以拆卸下来进行校准ꎬ需要现场进行标定ꎮ因此ꎬ设计一款用于现场校准温度传感器的便携式温度控制系统具有非常重要的现实意义[２]ꎮ目前便携式的高精度温度控制系统大多使用半导体制冷器(ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒꎬＴＥＣ)来作为控制对象ꎬ来间接稳定被控物体的温度[３]ꎮ其中ꎬ美国Ｆｌｕｋｅ(福禄克)公司研制的高精度干式计量炉的控温性能处于世界领先地位[４]ꎮ国内也有一些厂家在研究生产便携式的温度控制系统ꎬ但控温精度一般在０.０１ħ左右ꎬ整定速度不够快ꎬ控温效果还不够理想[５]ꎮ本文利用模糊ＰＩＤ算法展开高精度大范围温度方法研究ꎬ在获得高精度稳定度的同时ꎬ提高整定传㊀感㊀技㊀术㊀学㊀报ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ.ｓｅｕ.ｅｄｕ.ｃｎ第３２卷速度ꎻ采用高精度铂电阻温度传感器和大功率ＴＥＣ驱动电路相结合ꎬ设计并制作了一套基于模糊ＰＩＤ的高精度温度控制系统ꎮ１㊀温度控制原理１.１㊀ＴＥＣ的工作原理半导体制冷器是一种根据帕尔贴效应工作的电流型工作器件[６]ꎮ其内部是由Ｐ型半导体和Ｎ型半导体组成的热电偶对[７]ꎮ当有电流流过回路时ꎬ半导体内部会相应的吸收和放出热量来改变自身的势能ꎬ从而在半导体制冷器的两端形成冷端和热端ꎬ当电流方向改变时ꎬ其冷热两端也会发生互换[８]ꎮ图１为ＴＥＣ的结构示意图ꎮＡ为冷端ꎬＢ为热端ꎬＵ为加载在ＴＥＣ两端的电压ꎬＩ为电路中电流ꎮ同其他功率器件相比ꎬＴＥＣ具有体积小㊁升降温快㊁操作方便和控制效果明显等优点ꎮ故本系统采用ＴＥＣ作为功率元件ꎮ图１㊀ＴＥＣ结构示意图１.２㊀模糊ＰＩＤ温控系统通常是时变㊁非线性㊁具有纯滞后的复杂大惯性系统ꎬ多采用ＰＩＤ控制算法对其进行控制[９]ꎬ但传统ＰＩＤ方法无法满足高精度温度控制系统的控制要求ꎬ为了让ＰＩＤ参数能够自动适应不同温度段的控制要求ꎬ获得更精准的控温效果[１０]ꎬ本文利用模糊控制的方式对传统的ＰＩＤ算法进行改进ꎬ设计出了一套ＰＩＤ参数自整定算法ꎮ图２是本系统的模糊ＰＩＤ控制结构图ꎮ图２㊀模糊ＰＩＤ控制结构图本系统的模糊控制器是将被控物体的温度偏差ｅ及其偏差变化率ｅｃ作为模糊控制器的输入ꎬ然后通过模糊规则库对模糊输入量经过模糊推理ꎬ最后得到ＰＩＤ控制器的三个修正量Ｋｐ㊁Ｋｉ㊁Ｋｄ[１１]ꎮ在对温度控制系统进行综合分析后ꎬ得出温度偏差ｅ的论域为[－６ꎬ６]ꎬ温度偏差变化率ｅｃ的论域为[－１ꎬ１]ꎬ针对温度偏差及其变化率和控制量变化之间的变化关系ꎬ均采用为 负大(ＮＢ) ㊁ 负中(ＮＭ) ㊁ 负小(ＮＳ) ㊁ 零(ＺＯ) ㊁ 正小(ＰＳ) ㊁ 正中(ＰＭ) 和 正大(ＰＢ) ７个模糊子集ꎬ各变量的隶属度函数为三角函数ꎮ如图３所示ꎮ图３㊀隶属度函数根据温度偏差和偏差变化率综合确定的模糊规则:先由ＰＩＤ控制原理制定相应的模糊规则ꎬ并计算每条控制规则的模糊关系ꎬ再通过推理和解模糊化处理ꎬ得到ΔＫｐ的模糊控制表ꎬ如表１所示ꎬ同理得到ΔＫｉꎬΔＫｄ的模糊控制表ꎮ最后将三张模糊控制表存入单片机中ꎬ通过ＰＩＤ参数的整定算式计算后最终得到ＰＩＤ控制量ꎬ从而实现实时自动的温度控制[１２]ꎮ表１㊀ΔＫｐ模糊控制表ｅｅｃＮＢＮＭＮＳＺＯＰＳＰＭＰＢＮＢＰＢＰＢＰＭＰＭＰＳＺＯＺＯＮＭＰＢＰＢＰＭＰＳＰＳＺＯＮＳＮＳＰＭＰＭＰＭＰＳＺＯＮＳＮＳＺＯＰＭＰＭＰＳＺＯＮＳＮＭＮＭＰＳＰＳＰＳＺＯＮＳＮＳＮＭＮＢＰＭＰＳＺＯＮＳＮＭＮＭＮＭＮＢＰＢＺＯＺＯＮＭＮＭＮＢＮＢＮＢ１.３㊀温度控制模型由上文分析可知ꎬＴＥＣ具有变工况特性ꎬ在不同温差下ꎬ加相同的电压ꎬ输出电流是不同的ꎬ这将严重影响温控系统的精度和控制范围[１３]ꎮ为了消除这部分影响ꎬ把被控温度和ＴＥＣ的自身电气特性变化都纳入了控制环节ꎬ建立了温度－电流双闭环控制模型ꎮ温度－电流双闭环控制模型如图４所示ꎮ在上述双闭环控制环节中ꎬ内环是电流反馈环节ꎬ因其反应速度快ꎬ系统惯性小ꎬ故采用ＰＩ控制ꎮ外环是温度反馈环节ꎬ需要对温度进行实时的调节ꎬ６２４１第９期张宝峰ꎬ张㊀燿等:基于模糊ＰＩＤ的高精度温度控制系统㊀㊀故采用ＰＩＤ控制[１４]ꎮ图４㊀温度－电流双闭环控制模型２㊀系统总体设计２.１㊀系统总体结构采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３单片机作为处理器ꎬ利用４只大功率ＭＯＳ管搭建Ｈ桥驱动电路ꎻ使用霍尔传感器测量ＴＥＣ实际电流信号ꎮ选用Ａ级铂电阻ＰＴ１０００作为温度传感器ꎬ将采集到的电压信号送入２４位的Ａ/Ｄ中进行数模转换ꎮ通过人机交互界面(ＨＭＩ)输入目标温度值ꎮ系统结构图如图５所示ꎮ图５㊀系统结构图图６㊀测温电路２.２㊀硬件部分设计２.２.１㊀温度采集模块本系统选用温度系数大㊁灵敏度高㊁适用于动态测量的铂电阻Ｐｔ１０００作为温度传感器ꎮ将铂电阻接入ꎬ和３个千分之一的１ｋΩ电阻组成桥式测量电路ꎬ来提高系统的测温精度ꎬ再通过ＰＴ１０００两端电压的变化ꎬ测量其电阻变化ꎬ经过ＡＤＳ１１１０转换为数字信号ꎬ计算出温度值ꎮ图６为测温电路ꎮ２.２.２㊀ＴＥＣ驱动模块根据ＴＥＣ的工作原理可知ꎬＴＥＣ驱动电路需要能够提供具有一定驱动能力并且方向大小可调的电流信号ꎮＨ桥驱动电路是一种经典的驱动电路ꎬ所以本系统选择Ｈ桥驱动电路作为ＴＥＣ的驱动电路ꎮ选用全桥驱动芯片ＨＩＰ４０８２和４只大功率ＭＯＳ管来搭建ＴＥＣ驱动电路ꎬＴＥＣ驱动电路结构图如图７所示ꎮ图７㊀ＴＥＣ驱动电路原理图２.３㊀软件部分设计２.３.１㊀模糊控制器设计本系统是将采集到的被控物体的温度偏差ｅ及其偏差变化率ｅｃ作为模糊控制器的输入ꎬ映射到模糊子集里ꎻ然后通过查询模糊控制规则库推理得到相应的模糊规则ꎬ再对其去模糊化得到ΔＫｐꎬΔＫｉꎬΔＫｄꎻ乘以一个比例因子得到最终的修正参数Ｋｐ㊁Ｋｉ㊁Ｋｄꎻ再通过单片机产生相应的ＰＷＭ波ꎬ最终驱动ＴＥＣ工作ꎮ图８为模糊ＰＩＤ工作流程图ꎮ图８㊀模糊ＰＩＤ工作流程２.３.２㊀上位机软件设计基于嵌入式ＷｉｎＣＥ触摸屏结合多线程的技术设计了人机交互软件ꎮ系统主要包括两个工作线程ꎬ一个为主工作线程ꎬ负责人机交互ꎻ另一个为通讯线程ꎬ负责通过串口同下位机进行信息交互ꎬ把工作参数发送到下位机ꎬ同时读取下位机的当前温度和工作状态ꎬ显示在触摸屏上ꎮ主工作线程将实时采集到的温度信号显示在触摸屏上ꎬ同时将设定的参数信息发送到下位机进行相应的控制ꎬ从而实现人机交互ꎮ主线程的工作流程图如图９所示ꎮ系统上电工作ꎬ进行初始化ꎬ并把控制权交给上位机ꎮ系统主线程启动ꎬ首先读取系统配置参数并对人７２４１传㊀感㊀技㊀术㊀学㊀报ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ.ｓｅｕ.ｅｄｕ.ｃｎ第３２卷图９㊀主线程工作流程图机交互界面进行初始化ꎬ随后创建串口接收线程ꎬ串口接收线程创建完成后ꎬ打开串口接收温度传感器传来的温度信号ꎮ串口接收线程与主线程之间采用互斥体的方式进行线程同步ꎮ多线程之间配合工作ꎬ使系统资源得到更为高效的利用ꎬ提高了系统工作效率ꎮ３㊀温控实验及结果分析结合温度采集模块㊁ＴＥＣ驱动电路㊁人机交互触摸屏ꎬ加之机械装配和规范化布线最终设计并完成的高精度的温度控制系统ꎬ实物图如图１０所示ꎮ图１０㊀系统实物图３.１㊀控温稳定度实验为了验证本温度控制系统的控温稳定度ꎬ在－２０ħ~１２０ħ的温度之间对系统的控温性能进行了实验ꎮ实验之前ꎬ利用福禄克高精度恒温水槽７００８与标准温度计５６９９对实验中所用的温度传感器进行标定ꎬ恒温水槽７００８与标准温度计５６９９的精度均为０.００１ħꎬ因此标定后温控系统精度可达ʃ０.００３ħꎮ实验在室内温度(２５.１ħ)环境下进行ꎬ将恒温插块作为被控对象ꎬ恒温插块选用的是具有较好热传导能力和自身温度稳定性的铝块ꎮ先将系统温度从室温调到－２０ħꎬ然后以每２０ħ为一个控温点ꎬ进行升温实验ꎬ直到系统达到最高可控温度值１２０ħꎮ表２为各控温节点的长时间温度控制实验数据表ꎬ每个设定温度的控温时长均为稳定后的２ｈꎮＴ１为设定温度ꎬＴ２为在系统稳定后２ｈ内实际测得恒温插块的温度变化范围值ꎬδ为每个设定温度下的温度浮动范围ꎮ由表２可见:在２ｈ的控温时间内ꎬ各个控温节点温度波动范围最大为０.００４０ħꎬ最小为０.００２１ħꎬ温度波动在预期范围内ꎬ系统控温稳定ꎮ表２㊀控温稳定度实验数据表设定温度Ｔ１/ħ实测温度Ｔ２/ħ温度浮动范围δ/ħ－２０－１９.９９８３~－２０.００１９０.００３６０－０.９９８５~０.００１７０.００３２２０１９.９９９０~２０.００１１０.００２１４０３９.９９８９~４０.００１１０.００２２６０５９.９９８７~６０.００１７０.００３０８０７９.９９８０~８０.０００８０.００２８１００９９.９９８０~１００.００１５０.００３５１２０１１９.９９７９~１２０.００１９０.００４０３.２㊀模糊ＰＩＤ实验为了验证模糊ＰＩＤ的控制效果ꎬ进行了针对实验ꎬ具体实验方法如下:在室温环境(２５ħ)下ꎬ分别在有无模糊ＰＩＤ的情况下ꎬ恒温插块作为被控对象ꎬ将系统调至－２０ħ和１２０ħ进行实验ꎮ首先将系统使用传统ＰＩＤ调至１２０ħꎬ待系统稳定ꎬ得到控温曲线ꎬ随后在模糊ＰＩＤ的情况下重复上述操作ꎬ得到控温曲线如图１１所示ꎮ图１１㊀１２０ħ控温曲线待系统重新稳定在室温以后ꎬ按上述操作将系统分别调至－２０ħꎬ得到控温曲线如图１２所示ꎬ其中横轴是时间(单位０.１ｓ)ꎬ纵轴是温度(单位ħ)ꎬ图中所示曲线即为实际采集恒温插块的温度变化曲线ꎮ从图１２的控温曲线可知ꎬ在传统ＰＩＤ调节情况８２４１第９期张宝峰ꎬ张㊀燿等:基于模糊ＰＩＤ的高精度温度控制系统㊀㊀图１２㊀－２０ħ控温曲线下ꎬ设定系统温度为１２０ħ后ꎬ经２２０ｓ左右的温度调节系统收敛稳定至１２０ħꎬ但在模糊ＰＩＤ控制下ꎬ系统经１８０ｓ左右的调节后系统稳定在１２０ħꎮ同理ꎬ设定系统温度为－２０ħꎬ传统ＰＩＤ经３００ｓ左右的温度调节系统收敛稳定至－２０ħꎬ而模糊ＰＩＤ控制下ꎬ系统经２５０ｓ左右就逐渐稳定ꎮ实验表明ꎬ系统在模糊ＰＩＤ控制环节的情况下ꎬ控温收敛速度更快ꎬ系统能在较短时间内稳定在设定温度ꎬ控温性能良好ꎮ４㊀结论针对工业生产领域对温度传感器现场标定的需求ꎬ本文研究了在较大的温度控制范围内ꎬＰＩＤ参数能够自动适应不同温度段的控制要求ꎬ引入了模糊ＰＩＤ算法ꎮ结合温度检测电路㊁大功率ＴＥＣ驱动电路和人机交互触摸屏设计并完成了便携式高精度温度控制系统的研制ꎮ实验表明ꎬ本系统在－２０ħ~１２０ħ的温度范围内控温精度优于ʃ０.００５ħꎬ动态响应速度快ꎬ控温时间长ꎬ携带方便ꎬ可以满足大多数现场温度标定场合对于温度控制的要求ꎮ参考文献:[１]㊀陈俊祥ꎬ于继东ꎬ耿华运ꎬ等.多孔材料的温度和压强计算[Ｊ].物理学报ꎬ２０１７ꎬ６６(５):２５７－２６４.[２]李旭ꎬ李强国ꎬ蒋建宏ꎬ等.一种精密恒温环境微量燃烧－溶解－反应多用量热计的设计及应用[Ｊ].物理化学学报ꎬ２０１８ꎬ３８(５):４３－４７.[３]李江澜ꎬ石云波ꎬ赵鹏飞.ＴＥＣ的高精度半导体激光器温控设计[Ｊ].红外与激光工程ꎬ２０１４ꎬ４３(６):１７４５－１７４９.[４]朱均超ꎬ豆梓文ꎬ李嘉强ꎬ等.高精度大范围的光学晶体温度控制系统[Ｊ].光学精密工程ꎬ２０１８ꎬ２６(７):１６０４－１６１１.[５]周锋ꎬ王如刚ꎬ纪正飚ꎬ等.基于高精度ＴＥＣ温度控制器的可调光子微波信号产生的研究[Ｊ].光电子 激光ꎬ２０１４ꎬ２５(９):１６９１－１６９４.[６]章喜ꎬ王继平ꎬ孙华燕.半导体制冷器作为标定物的红外成像仪隐式标定[Ｊ].红外与激光工程ꎬ２０１０ꎬ３９(５):９７２－９７８.[７]何启欣ꎬ刘慧芳ꎬ李彬ꎬ等.多通道半导体激光器温控系统[Ｊ].光学学报ꎬ２０１７ꎬ３７(１１):１１１４００２.[８]王选择ꎬ曾志祥ꎬ钟毓宁ꎬ等.基于相差识别的半导体激光器温度精密测量与控制[Ｊ].光电子 激光ꎬ２０１３ꎬ２４(２):２３９－２４５.[９]郭成林ꎬ蒋日鹏ꎬ李晓谦ꎬ等.基于Ｆｕｚｚｙ￣ＰＩＤ的大规格铸锭结晶器液位控制[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１８ꎬ５４(２２):２１２－２１７.[１０]戴俊珂ꎬ姜海明ꎬ钟奇润ꎬ等.基于自整定模糊ＰＩＤ算法的ＬＤ温度控制系统[Ｊ].红外与激光工程ꎬ２０１４ꎬ４３(１０):３２８７－３２９１.[１１]ＧａｎｇＹａｎｇꎬＪｉｎｇＭｉｎꎬＤｕＸｉａｏＹｕｎꎬｅｔａｌ.ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＰｏｓｉｔｉｖｅａｎｄＮｅｇａｔｉｖｅＰｎｅｕｍａｔｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ[Ｊ].中国机械工程学报ꎬ２０１７ꎬ３０(６):１４３８－１４４６.[１２]屈毅ꎬ宁铎ꎬ赖展翅ꎬ等.温室温度控制系统的神经网络ＰＩＤ控制[Ｊ].农业工程学报ꎬ２０１１ꎬ２７(２):３０７－３１１.[１３]张龙ꎬ陈建生ꎬ高静ꎬ等.大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计[Ｊ].红外与激光工程ꎬ２０１８ꎬ４７(１０):９５－１０１.[１４]ＺｈａｏＴꎬＦａｎＺꎬＸｉａｏＨꎬｅｔａｌ.Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ￣ＳｔａｂｌｅＰｕｍｐｉｎｇＲｅａｌｉ￣ｚａｔｉｏｎＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅＰｕｍｐ￣ＬａｓｅｒＳｐｅｃｔｒａｌＤｉｓｔｒｉｂｕ￣ｔｉｏｎｉｎＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ[Ｊ].ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１７ꎬ４０２(６):５５１－５５６.张宝峰(１９６２－)ꎬ男ꎬ教授ꎬ现为天津理工大学博士生导师ꎬ主要从事光电检测与机器视觉方面的研究ꎬｚｈａｎｇｂａｏｆｅｎｇ＠２６３.ｎｅｔꎻ张㊀燿(１９９４－)ꎬ男ꎬ天津理工大学电气电子工程学院硕士研究生在读ꎬ主要从事光电检测与控制方面的研究ꎬ１８５２２２６７３４１＠１６３.ｃｏｍꎻ㊀朱均超(１９７２－)ꎬ男ꎬ通讯作者ꎬ副教授ꎬ现为天津理工大学研究生导师ꎬ主要从事光电检测与控制方面的研究ꎬｚｈｕｊｕｎｃｈａｏ＿ｔｊｕｔ＠１６３.ｃｏｍꎮ９２４１。

第1篇一、引言随着科技的不断发展，温度传感器在各个领域得到了广泛应用。

从工业生产到日常生活，从航空航天到医疗健康，温度传感器都扮演着至关重要的角色。

本文将详细介绍温度传感器的技术原理、应用领域、解决方案以及未来发展趋势。

二、温度传感器的技术原理1. 测温原理温度传感器的工作原理主要是基于温度与物理量之间的对应关系。

常见的测温原理有热电偶、热电阻、红外测温、半导体测温等。

（1）热电偶：利用两种不同材料的导线接触时产生的热电势与温度之间的关系进行测温。

（2）热电阻：利用电阻值随温度变化而变化的特性进行测温。

（3）红外测温：通过检测物体表面发射的红外辐射能量，将其转化为温度值。

（4）半导体测温：利用半导体材料的电阻、电容、电导等物理量随温度变化的特性进行测温。

2. 传感器结构温度传感器的结构主要包括敏感元件、信号处理电路和输出接口。

敏感元件是传感器的核心，负责将温度变化转换为电信号；信号处理电路对敏感元件输出的信号进行放大、滤波、线性化等处理；输出接口将处理后的信号转换为便于传输和处理的电信号。

三、温度传感器的应用领域1. 工业领域（1）自动化控制：在工业生产过程中，温度传感器可用于控制加热、冷却、干燥等过程，提高生产效率和产品质量。

（2）能源管理：温度传感器在能源管理领域具有重要作用，如监测电力、石油、天然气等能源的使用情况，实现节能减排。

（3）质量检测：在工业生产过程中，温度传感器可用于检测产品温度，确保产品质量。

2. 生活领域（1）家用电器：温度传感器在洗衣机、空调、冰箱等家用电器中用于控制工作温度，提高使用效果。

（2）汽车：温度传感器在汽车发动机、变速器、空调等部件中用于监测温度，保障车辆安全运行。

（3）医疗设备：温度传感器在医疗设备中用于监测人体体温、血液温度等，为医生提供准确的治疗依据。

3. 其他领域（1）航空航天：温度传感器在航空航天领域用于监测飞行器表面温度、发动机温度等，确保飞行安全。