基于Pt1000的滤光器测温系统设计*

赵金标, 朱庆生, 周小军, 万敏辉

(1.中国科学院大学，北京 100049； 2.中国科学院 南京天文仪器研制中心，江苏 南京 210042；3.中国科学院 南京天文仪器有限公司，江苏 南京 210042)

设计与制造

基于Pt1000的滤光器测温系统设计*

赵金标1,2, 朱庆生2,3, 周小军2,3, 万敏辉1,2

(1.中国科学院大学，北京 100049； 2.中国科学院 南京天文仪器研制中心，江苏 南京 210042；3.中国科学院 南京天文仪器有限公司，江苏 南京 210042)

针对天文气象中双折射滤光器温度检测所遇到的问题，以互联型 STM32处理器、三线制铂热电阻Pt1000为基础，设计了滤光器桥式测温系统软硬件结构,并采用最小二乘法对标定系统进行了拟合。实验结果表明：该系统能实时监测滤光器中心区域的温度，在42 ℃时测量误差为±0.005 ℃，保证了太阳活动区视向速度的测量精度。

STM32； Pt1000； 滤光器； 测温系统； 最小二乘法

0 引 言

双折射滤光器广泛应用于对太阳活动区的观测。通常该滤光器的工作温度在42 ℃附近，要求检测的精度不低于0.005 ℃，其内部透光晶体的折射率对温度极其敏感，任何温度漂移，都将引起透过带位移，直接对太阳活动区视向速度的测量精度造成影响。因此，对双折射滤光器的温度进行高精度检测是很有必要的。原有的用于滤光器的51单片机在速度和性能上已不满足实际需要；选用的Pt100铂热电阻器每变化1 ℃电阻仅变化0.39Ω，在精度上比Pt1000少了一个数量级；采用的串行通信接口RS—232在可靠性上受到一定的限制。针对上述问题，本文以互联型STM32处理器为核心，采用灵敏度高的Pt1000铂热电阻桥式测温法[1]采集温度变化数据；设计高增益仪表放大器电路对信号放大，最终实现了具有RS—485接口的测温系统，用恒温箱和精密电阻箱对系统进行标定，可在线精确测量0～45 ℃范围的温度，且非线性误差不高于0.005 ℃。

1 系统工作原理

滤光器测温系统以STM32处理器为主控核心，主要部件包括Pt1000铂热电阻、金属膜电阻、运放OP27、OP37、LM324及RS—485通信串口和PC等。首先需要对此测温系统进行标定，得出温度与输出电压之间的函数关系。当滤光器的温度变化引起Pt1000的阻值发生相应的变化，惠斯通电桥输出相应的毫伏(mV)级压差信号，将该mV级压差信号通过仪表放大器放大后送入到STM32处理器的AD模块，通过软件定时读取AD电压值，每采集100个数据进行中位值平均滤波处理，将处理后的值代入已标定好的温度和电压函数表达式，得出相应的温度值，最后将温度数据通过RS—485总线传输给上位机，通过上位机界面实时显示滤光器的温度[2]。

2 滤光器测温系统硬件设计

2.1 电压源电路

图1为同相放大电路，根据工作在线性区的理想运算放大器[3]，由虚短、虚断定义

vp≈vn,ip=in=0

(1)

系统的输入电压为vi=5 V，由图1可知，电压增益为

(2)

图1 电压源电路

OP27的输入电压为5 V，经过放大后输出约10 V的电压，为避免计算得出的Pt1000分压产生较大误差，尽可能减小电源误差对测温系统的影响，可通过调节图1中的滑动变阻器R33的阻值，保证输出的电压Vo精确为10 V。

图1中的电阻器均选用金属膜电阻器，保证电路正常运行中阻抗值不受表面温度变化影响。

2.2 惠斯通桥式电路

本系统采用惠斯通桥式测温电路[4]如图2所示，R37为Pt1000，当满足条件R35·R34=R37·R36，输出端的两压差v1=v+-v-=0，此时称为电桥的平衡状态[5]。根据电桥输出电压v+，v-的差值可以推算出R37的值。常见的滤光器Pt1000到控制器的距离都长达20 m左右，引线电阻所造成的系统误差不可忽略，而此测温电路中采用三线制Pt1000的接法，可消除引线电阻对测温的不良影响[6]。

2.2.1 桥臂上阻值大小的选择

根据Pt1000分度表，温度每变化0.1 ℃,Pt1000阻值度变化0.390 8 Ω，所用到的双折射滤光器恒温层的测量精度不高于0.005 ℃，这就要求电桥中的电阻器敏感量在0.019 54 Ω以下变化。

本系统要求的测温范围为0～45 ℃，根据计算得知，测温时Pt1000的阻值应在1 000.000～1 174.704 Ω之间变化，在惠斯通电桥测温电路中，为了提高测温的灵敏度，将桥臂上的阻值比例设置为1︰100，即R35=R36=100 kΩ,R34=1 kΩ。图2中的J1是Pt1000的三条引出线接口。

图2 惠斯通桥电路

2.2.2 电压输出范围

电阻器精度不高将造成整个电桥的平衡点产生偏移，实际应用中需要用数字万用表对每个金属膜电阻器进行测量，将实际的电阻值带入计算表达式，得到准确的平衡点。Pt1000在0 ℃时阻值为1 kΩ，取图中R34阻值为1 kΩ,这样可以保证平衡状态下的温度为0 ℃，其两端输出的电压理论上为0 V，为后面电压和温度函数关系的推导提供了方便[7]。Pt1000在45 ℃时阻值为1.174 704 kΩ，电路输出压差为

v1=v+-v-=v0·[R37/(R37+R35)-R34/(R36+R34)]

(3)

通过式(3)得v1=0.017 096V,即温度在0～45 ℃变化时，惠斯通电桥电路两端电压输出v1的范围在0～17.096mV之间。

2.3 仪表运放放大电路

2.3.1 调理电路设计

(4)

取R41=R40,到输出电压

(5)

由于输出的mV级信号vout很难被STM32处理器的AD模块检测到，所以需要将其放大。根据STM32处理器的AD输入最高电压不能超过3.3V，以及上述v1输出的范围，确定三运放放大倍数为190，理论上电桥输出的电压范围为0～3.248 2V。

由放大倍数来确定R48和R47的选值，R47作为微调电阻器，用来校正运放电路的放大倍数，一般选用R48的阻值至少是R47的10倍左右，即R48︰R47=10︰1，根据式(5)，选用R48阻值为300Ω，R47阻值为30Ω。

图3 仪表放大器电路

2.3.2 电压—阻值—温度关系推导

Pt1000的阻值和温度成一定的函数关系，能精确地测出其电阻值就可以获得准确的温度值。该温度传感器具有防水、耐腐蚀、性能稳定、准确度高等优点[9]。根据相关惠斯通桥电路及仪表放大器可知，桥电路的输出电压v1与仪表放大器输出的vout关系：vout=v1×Au。因STM32处理器的AD模块是12位，所以模拟量，数字量的关系为vout/AD=3.3/4 096,由上述两个式子，可得：v1=3.3AD/(4 096Au)，再将其带入式(3)得

(6)

已知Pt1000阻值后可以根据温度与阻值的函数关系得出相应的温度值。

2.4RS—485通信模块

RS—485接口电路如图4所示,图中A，B(6脚，7脚)为总线接口，用于连接RS—485总线，PB10和PB11为STM32处理器USRAT3的引脚，PB12引脚控制发送/接收的方向，当置PB12为高电平时，通过PB10引脚将数据传输给上位机；当置PB12为低电平时，通过PB11引脚将数据传输给处理器。RS—485通信方式，相比通信串口RS—232，在传输速率，传输距离，以及抗干扰性能上有了明显地改善[10]。

图4 RS—485接口电路图

3 软件设计

3.1 测温系统标定及数据拟合

阻值的测量误差及不平衡桥电路的非线性都会引起系统误差，因此，首先需要对测温系统进行标定。设置精度高的恒温箱温度，找出Pt1000在各个温度点所对应的阻值；由精密电阻箱代替Pt1000，将精密电阻箱引线插入图2中J1的引脚1和引脚2，3接地，改变精密电阻箱的取值，得到在各个阻值下对应的电压输出Vout。系统只需要保证滤光器工作在42 ℃附近时测温的精度，温度在0～ 40 ℃范围内，每隔5 ℃测量一次；在41.5～42.5 ℃范围内，每隔0.1 ℃测量一次，具体测量数据如表1所示。

表1 系统标定数据

由于系统主要用于42 ℃附近的滤光器高精度测量，选择测温范围0～45 ℃满足要求。为了尽可能减小非线性带来的误差，设置恒温箱得到的温度数据为纵坐标，采集到的相应电压信号为横坐标，用最小二乘法对表1中的温度和电压数据进行线性拟合[11]。Matlab 程序如下：

Vout_Amp = data_Pt1000(:,1)';

T_PT1000 = data_Pt1000(:,2)';

Pt1000 =polyfit(Vout_Amp,T_Pt1000,2)；

n_T_Pt1000 = polyval(Pt1000,Vout_Amp);

r1= sum((T_Pt1000-n_T_Pt1000).^2)

figure(2)

plot(Vout_Amp,T_Pt1000,'*')

holdon

plot(Vout_Amp,n_T_Pt1000,'r')

xlabel('电压/V')

ylabel('恒温箱温度/C')

title('电压和温度拟合曲线')。

温度和电压拟合曲线如图5所示。

图5 温度与电压拟合曲线

滤光器测温系统的标定公式为

T=13.864 7U-0.064 2

(7)

将标定好的函数用于滤光器测温系统实时测试，通过STM32处理器的AD模块采集电压U，代入上式中即可得到实际的温度值。

3.2 实验结果分析

为了验证系统的精度，将Pt1000铂电阻放入恒温箱中进行测量，将每个温度点每10 ms采样一次，采样100个数据取平均值，将结果与恒温箱设定温度进行对比，测量结果如表2。在0～45 ℃范围内，测量了每隔5 ℃及在42 ℃附近每隔0.1 ℃的测量结果，表中T1为恒温箱的设定温度，T2为滤光器测温系统的实测温度，偏差为T1和T2的差值绝对值，即P=|T1-T2|。

表2 实验结果数据 ℃

由表2看出：系统在42 ℃附近的测量绝对误差控制在0.005 ℃范围内，完全适用于测试滤光器的温度，满足实际测量精度需要。

3.3 上位机显示界面

上位机监测界面采用Visual Studio开发环境设计，通过Visual C++中的MFC Application编辑窗口实现与应用程序反端口的连接。界面设计主要包括实时温度显示、温度采集、温度状态显示、串口参数设置及数据存储等。系统采集温度的同时将实时温度以文档形式存储，以便后续分析和检查历史数据。当Pt1000放入42 ℃恒温箱时，上位机实时显示界面如图6所示。

图6 上位机温度显示界面

4 结 论

设计了基于Pt1000滤光器测温系统，在性能上有了很好的改善，从软硬件两方面保证了测温系统的精度。软件上，通过用精度高的恒温箱和精密电阻箱对测温系统进行标定，对标定的数据采用最小二乘法进行曲线拟合，程序加上必要的数字滤波；硬件上，使用三线制桥式测温电路，可靠稳定的仪用放大器电路，精度高的金属膜电阻器以及对参考电压校正来尽可能减少硬件电路带来的系统误差。经过实测：该测温系统的绝对误差不高于0.005 ℃，满足了测温精度要求。

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Design of optical filter temperature measurement system based on Pt1000*

ZHAO Jin-biao1,2, ZHU Qing-sheng2,3, ZHOU Xiao-jun2,3, WAN Min-hui1,2

(1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 2. Nanjing Astronomical-Instrument Research Center,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210042,China; 3. Nanjing Astronomical Instruments Limited Corporation,Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210042,China)

Aiming at the problems of the temperature measurement of birefringent filter during astronomy and meteorology,hardware and software structure of filter bridge type temperature measurement system is designed and least square method is adopted to fit calibration system,based on interconnected STM32 processor and three-wire type Pt1000 platinum thermal resistance.The experimental results show that the system can real time monitor temperature of center area of filter,and measurement error is ±0.005 ℃ near 42 ℃，measurement precision of apparent velocity in solar active region is guaranteed.

STM32; Pt1000; filter; temperature measurement system; least square method

2016—07—22

中科院战略性先导科技专项基金资助项目(XDA04077402)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0073—04

TP 211

B

1000—9787(2017)06—0073—04

赵金标(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为天文仪器的计算机自动控制技术。