熱電阻溫度傳感器時間常數(shù)多通道測試

摘要:為了準(zhǔn)確獲取熱電阻的時間常數(shù).解決階躍測試起始點難以確定及人為測試存在誤差等問題,通過對不同響應(yīng)時間的熱電阻輸出響應(yīng)進行了傳遞函數(shù)的測試與識別,開發(fā)了一套多通道測試裝置。該測試裝置可以對不同輸出信號的熱電阻時間常數(shù)進行同時測量,同時獲取多個熱電阻時間常數(shù)以及傳遞函數(shù),實現(xiàn)多支熱電阻時間常數(shù)的全自動測試。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量不同熱電阻的響應(yīng)時間,自動化程度高、識別結(jié)果準(zhǔn)確可靠，克服傳統(tǒng)方法人為誤差影響,可以在計量測試領(lǐng)域進行推廣應(yīng)用。
　　熱電阻是一種導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的電阻式傳感器,近年來,隨著科技的發(fā)展,測試溫度傳感器動態(tài).特性的方法越來越多。其中,時間常數(shù)作為動態(tài)特性的一個重要指標(biāo),如何準(zhǔn)確快速地測量出其時間常數(shù)顯得十分重要。
　　基于時間常數(shù)測試裝置存在難以確定起始點、存在人為讀數(shù)誤差、效率低下等問題,提出了一套全自動的時間常數(shù)測試系統(tǒng)。一方面獲取了階躍響應(yīng)的具體階躍點,為后續(xù)分析提供了更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);另一方面可以同時獲取多支溫度傳感器的時間常數(shù),并對實際輸出數(shù)據(jù)進行識別和擬合,建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，與理論的數(shù)學(xué)模型進行比對,驗證了實.驗數(shù)據(jù)的可靠性。
1測試系統(tǒng)設(shè)計
1.1時間常數(shù)計算理論
　　對于理想的溫度傳感器,其動態(tài)特性通常可以使用傳遞函數(shù)來表示。給溫度傳感器提供一個階躍信號或者斜坡信號,隨后采集溫度傳感器的輸出信號,可以計算獲取其傳遞函數(shù)。其中一般的溫度傳感器為一階模型，其數(shù)學(xué)模型為:
 
　　由該式可知,當(dāng)c(t)-T0=0.632(T1-T0)時,t=T,由此可得出熱電阻的時間常數(shù)T的含義為:溫度傳感器輸出溫度的變化量由零到介質(zhì)溫度與熱電阻初始溫度之差的63.2%3.所用的時間。
　　上述公式適用于一般的溫度傳感器，例如熱電阻、熱敏電阻等。
1.2測試系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　測試系統(tǒng)具體組成包括:計算機、多通道采集卡、電磁鐵開關(guān)、開關(guān)信號采集卡、電磁鐵、被測熱電阻若干、對射式光電傳感器、固定裝置、滑塊、滑軌、恒溫油槽等。其主要結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。
　　由上位機控制電磁鐵開關(guān),用于控制滑塊及固定裝置下落,利用對射式光電傳感器確定被測溫度傳感器接觸恒溫油槽介質(zhì)的準(zhǔn)確時間,多通道采集卡持續(xù)采集被測溫度,由上位機軟件內(nèi)部的計時器記錄下產(chǎn)生光電信號到被測溫度達到階躍響應(yīng)溫度的時間。最后把被測數(shù)據(jù)傳送至上位機,在上位機中生成實時圖像,輸出采集的數(shù)據(jù)以用于后續(xù)處理。
　　該裝置一方面有效地避免了起始點難以確定的問題,另一方面避免了人工計算的誤差,并且可以多通道同時采集，以及對多支溫度傳感器同時進行時間常數(shù)的測量。
 
1.3測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　對于上位機軟件,其實現(xiàn)的主要功能為:
(1)接收下位機傳輸過來的電阻、電流、對射式光電傳感器開關(guān)等信號,將電阻、電流等信號轉(zhuǎn)化為溫度信號,并將諸多模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。
(2)控制電磁鐵的開關(guān)信號,待溫度穩(wěn)定后斷開電磁鐵,使滑塊沿著滑軌做自由落體運動。
(3)提供計時器的功能,在對射式光電傳感器的信號變化時開始計時,直到溫度信號達到階躍信號的溫度點時停止計時。
(4)提供系統(tǒng)辨識工具包，對輸出數(shù)據(jù)進行相關(guān)函數(shù)的辨識，獲取其實際的傳遞函數(shù)。并對輸出的數(shù)據(jù),依據(jù)理論推導(dǎo)的公式進行擬合,以獲取輸出函數(shù)。
2實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析
　　熱電阻時間常數(shù)大小與傳熱介質(zhì)有著較大的關(guān)系，因此只能測取在特定介質(zhì)下的具體時間常數(shù)。實驗中所采取的介質(zhì)均為硅油,所有提到具體.數(shù)值的時間常數(shù)均為在介質(zhì)為硅油時的時間常數(shù)。
　　在實驗中,采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻作為標(biāo)準(zhǔn)器。其在硅油中的時間常數(shù)為15s。另外采用兩根普通鉑電阻作:為被測電阻。利用多通道采集卡同時獲取各個熱電阻的電阻值、對射式光電傳感器的開關(guān)信號。其中設(shè)置多通道采集卡的采樣頻率為10Hz。.
2.1實驗步驟
具體實驗步驟如下:
(1)將被測溫度傳感器置于固定裝置上,固定裝置置于滑塊上。打開溫度采集程序和電磁鐵開關(guān),將滑塊吸附住。
(2)控制恒溫油槽達到固定點溫度,并等待溫度穩(wěn)定。
(3)待溫度穩(wěn)定后,斷開電磁鐵開關(guān),讓滑塊沿著滑軌自由落下,待滑塊經(jīng)過對射式激光傳感器位置時,傳感器輸出信號會產(chǎn)生變化,將其變化的時間點作為階躍響應(yīng)的計時起始點。
(4)當(dāng)溫度達到階躍溫度點時，內(nèi)部計時器停止計時。待被測溫度傳感器達到恒溫油槽的溫度并穩(wěn)定后,停止采集溫度。讀取上位機所記錄的經(jīng)過的時間數(shù)值即為時間常數(shù)。
(5)測試結(jié)束后，將被測數(shù)據(jù)導(dǎo)出,進行函數(shù)擬合以及系統(tǒng)辨識。
2.2實驗結(jié)果:
　　按照實驗步驟對3根熱電阻進行測試,待熱電阻冷卻后,共進行3次重復(fù)試驗,其中一次被測溫度以，及開關(guān)信號的數(shù)據(jù)如圖2所示。
 
　　讀取上位機顯示的時間常數(shù),具體結(jié)果如表1所示。
 
　　后續(xù)對被測電阻輸出的實際溫度圖像進行讀圖計算，求取時間常數(shù),具體結(jié)果如表2所示。
 
　　計算測試結(jié)果的相對誤差如表3所示。
 
　　從表1~表3中可以看出，上位機軟件的內(nèi)部計時器獲取的時間常數(shù)與利用采集數(shù)據(jù)圖像所計算的時間常數(shù)相對誤差小于2%，由此說明,此法可以用于同時計算多支熱電阻的時間常數(shù)。
2.3擬合驗證
　　在獲取到溫度與開關(guān)信號的數(shù)據(jù)后,將穩(wěn)定后的終溫作為輸人信號,輸出溫度作為輸出信號,輸人系統(tǒng)辨識工具包中,可以獲取到其具體的傳遞函數(shù),具體結(jié)果如表4所示。
 
　　從表4中可以看出,一階傳遞函數(shù)的理論值與實際辨識所得的傳遞函數(shù)誤差較小,并且符合理論推導(dǎo)的一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)表達式。
　　最后對于輸出的溫度信號進行輸出理論函數(shù)的擬合,具體結(jié)果如表5所示。
 
　　由表3~表5可知,系統(tǒng)辨識工具包輸出的傳遞函數(shù)與理論函數(shù)相符合,表明該測試裝置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。
3結(jié)論
　　綜上所述,針對階躍起始點難以確定、人為測試誤差大等問題,提出了一種利用對射式光電傳感器確定溫度傳感器階躍信號產(chǎn)生的起始點位置的多通道溫度傳感器時間常數(shù)測試裝置。通過對輸出數(shù)據(jù).進行作圖計算、系統(tǒng)辨識，輸出函數(shù)的理論擬合,得
出以下結(jié)論:
(1)通過上位機軟件內(nèi)部計時器所記錄的時間常數(shù)與輸出數(shù)據(jù)作圖讀圖計算時間常數(shù)的結(jié)果對比顯示，其時間常數(shù)的計算誤差較小,解決了階躍起始點難以確定的問題.避免了傳統(tǒng)人為計算的誤差。
(2)通過多通道采集卡同時采集電阻、電流等溫度傳感器的信號,可以對熱電阻、熱電偶等各類工業(yè)傳感器的時間常數(shù)同時計算。實現(xiàn)不同溫度傳感器、多通道同時測試的功能,提高了測試的效率，降低了成本。
(3)利用上位機軟件對輸出數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)辨識及輸出函數(shù)的擬合,計算出其具體傳遞函數(shù)及理論輸出函數(shù),驗證了輸出數(shù)據(jù)的可靠性。推廣該裝置在時間常數(shù)測試方面的使用具有重要的意義。