温度传感器标定系统设计

我的毕设1 FPGA 智能传感器(1) 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。

此外，还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改进测量精度。

(2) 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。

当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输人信号给出相关的诊断信息。

当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。

(3) 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介人使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。

此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能使它们适合于各不相同的工作环境。

(4) 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。

存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等。

(5) 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通讯联络和交换信息。

此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等基于labview 和声卡本系统主要实现温度的检测与控制，使系统的温度始终保持在要求的范围内。

系统框图如图I所示。

首先将温度信号转换为电信号．然后通过数据采集电路将电信号采集进入计算机，借助LabVIEW软件进行数据分析、处理和显示．最后通过温度控制接口电路对温度进行实时监控。

系统中温度检测、采集和控制由硬件实现，信号的分析与处理及后续结果的输出与显示则靠软件完成。

由于声卡采集的信号是音频信号，且幅值受到一定限制，同时我们在实验中发现声卡对于信号频率采集的灵敏度远远大于对信号幅度的灵敏度，所以本单元电路包括两部分：通过温度传感器将温度信号转换为电压信号，再利用v，F(压，频)转换电路将电压信号转换为具有一定幅值的频率信号，通过声卡采集频率，然后借助I_abVlEW的信号处理功能对信号进行处理和显示。

需要注意的是转换电路的设计既要保证V腰转换器具有良好的线性度。

又要具有合适的频率(3)加热与降温电路加热与降温电路的作用，就是利用前级双限电压比较器电路的输出信号，控制继电器的通断。

使其起到一个开关作用，用以控制加热元件与降温元件的工作。

限于学生实验条件，本系统分别采用加热电阻和c叫风扇作为加热和降温元件。

由于电路简单，这里不再给出电路图。

基于单片机控制的PTCR阻温特性测试系统的设计与实现单片机与智能型温控表之间的串行通信，单片机接收温控表发送来的温度信号，并对温控表发送控制信号，工作在全双工形式。

在 PTCR 阻温特性测试中，温度是非常重要的参数，炉温的均匀性和稳定程度对测量准确性有着至关重要的影响。

本测试系统的温度源采用工业电炉300，利用温度传感器Pt100 测温[37]，由温控表（智能型专家自整定PID 调节器）进行控温保温。

在温控系统中温控表采用RS232 通信协议，C8051F020 单片机通过串口，经由MAX232 电平转换电路与温控表连接，结合该温控表的通信协议，采用C51 编制串行通信程序就可以实现C8051F020 单片机和温控表之间的串行通信，C8051F020 单片机根据需要向温控表写入命令后，具体的控温保温工作交由智能型温控表完成[38]。

本系统选用的是日本岛电公司SR80 系列温控表。

温度控制电路基本结构如图3-20所示。

基于Laview的红外测温虚拟仪器技术凭借图形化的编程方法和强大的硬件平台，在系统性能测试方面具有显著的优势，能出色的完成数据采集和数据分析。

系统性能的测试是一个不断反复的过程，虚拟仪器技术提供的测量和自动化解决方案，能够快速的对测试方案进行更新，具有很好的灵活性和可扩展性。

在标定过程中，运用Labview 编写最小二乘标定法能够快速的进行曲线拟合，得出测温方程和均方差，并将数据测量点和拟合曲线在同一窗口内显示，从而更好的判断拟合优劣；使用波长函数法计算，分析波长误差、参考点误差、波长函数φ(λ)误差、测量误差对红外测温仪测温精度的影响。

NI 公司开发的虚拟仪器技术，作为功能强大而又灵活的应用仪器和分析软件系统，可以进行数据采集及控制、数据分析和数据显示。

在工业、学术界和实验室中，广泛用于做开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言。

自1986 年问世以来，Labview 帮助设计人员进行图形化开发环境来开发项目，从而获得更高的质量，更短进入市场的时间，和更高的工程和生产效率。

和现在普遍运用的各种编程语言，如C 语言、matlab 相比较，Labview 有如下几个特点：(1) 真实信号 I/O，测量分析和数据显示的紧密集成(2) 使用交互式配置和图形化编程的快速开发方式(3) 基于 PC 的平台，拥有强大的功能扩展(4) 广泛的部署对象，从桌面到手持、从实时到嵌入式设备(5) 针对初学者的 EXPRESS 技术、针对有经验的程序员的完整功能功能强大且灵活的软件是所有虚拟仪器系统的核心。

虚拟仪器除了应用程序层（如labview，Visual Studio 等）外，测量服务软件也有非常重要的功能。

NI-DAQmx 是测量软件中的一种，它不仅仅是一个驱动软件，而应该把它看成I/O驱动软件层。

它提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通性以用于测量和控制。

直观的4应用程序编程接口（API）、仪器驱动、配置工具、快速I/O 助手，都是测量软件的特色。

DAQ 助手是一个基于步骤的向导，它可以无需编程即可配置数据采集任务、虚拟通道以及实现缩放操作。

对系统进行整体性能的分析，一套好的数据采集设备是非常重要的。

NI 公司的MSeries 高精度系列的数据采集卡在数据采集方面有强大的优势。

全文通过仿真和实验，依托虚拟仪器这一强大的测试平台，对红外测温仪的整体性能进行评价。

首先，由于温度传感器得到的信号电压需要通过具体的数学模型，转换为实际目标的温度信号；其次，每一台不同的红外测温仪都需要进行标定过程，从而确定信号电压和温度信号之间的关系，标定的精准度直接影响红外测温仪的各项参数，同时在标定的过程当中存在着各种误差，更需要一种快捷简便的方法提供高效的标定方法；最后，红外测温仪应用的广泛性使得测温的环境千差万别，环境中存在各种不同的影响测温精度的因素，本文也对三个主要的因素进行了实际的测量，通过修正方法提高测温的精度。

信号处理系统：对于不同类型、不同测温范围、不同用途的红外点温仪，由于红外探测器种类的不同、设计原理的不同，其信号处理系统也就不同，但信号处理系统要完成的主要功能是相同的，即放大、抑制噪声、线性化处理、发射率修正、环境温度补偿、A/D 和D/A 转换以及要求输出信号等。

通过式（2-26）可以用线性最小二乘法求得目标的真实温度T 和光谱发射率( , ) i ελT ，线性情况的最小二乘估计参数是参数的无偏估计，且无论观测值服从何种分布，在参数的所有线性无偏估计中，最小二乘法估计的方差最小。

0 1 { , , } n a a a0 1 { , , } n a a a使用基于最小二乘法的标定理论可以求得目标的真实温度T 和光谱发射率( , ) i ελT ；基于波长函数辐射的测温仪标定方法证明了，对于任意给定温度T 值即可通过计算得到对应的仪器的信号S 值，这一对应关系可以用来分析不同参数的误差对红外测温仪标定的误差影响为了从研制水平和生产工艺控制两个方面同时采取措施提高系统的成品率，通常需要进口专用的红外综合检测仪，这种仪器测试的参数全、精度高的，但造价非常高，且只能进行整机测试，不能进行仿真和控制，不易维护和升级。

如果采用标准箱式仪器搭建这套测试系统，则需要示波器、万用表、任意波形发生器（多台）、高速同步数据记录仪（多台）、动态信号分析仪、传递函数分析仪、逻辑分析仪等设备。

由于是分分析来说，仍然是无能为力的。

为了兼顾科研过程中的分级测试、单元仿真测试、系统性能分析和生产过程的工艺参数积累分析和工艺过程控制，并兼顾现场试验和检测维修，经过查阅大量的参考文献，决定采用NI 公司的虚拟仪器搭建NI 测量硬件充分利用PCI 和USB 计算机总线的性能，实现高速数据的传送，实现对温度－信号电压的最小二乘标定算法，以及对影响红外测温精度的神经网络算法，具有非常好的灵活性和扩展性。

abview又称虚拟仪器，即VI，其外观和操作类似于真实的物理仪器（如示波器和万用表）Labview拥有一整套工具用于数据采集、分析、显示和存储，以及解决用户编写代码中可能出现的问题。

同时，Labview提供众多输入控件和显示控件用于创建用户界面，即前面板。

输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置。

显示空间是指图形、指示灯等输出显示装置。

创建用户界面后，可用VI和结构来添加代码，从而控制前面板对象[29]。

要形成一个完整的系统测量软件，还包括信号的采集过程，一个完整的数据记录仪应该包括数据采集、分析、存储以及在今后的分析工作和对数据的调用。

可以说Labview 软件可以十分方便快捷的完成数据的存储、分析和调用，对于数据的采集，NI 还提供了另一个软件DAQmax。

图形化的编程语言称为G 语言，框图即源代码，执行为数据流通过，图标和连接器制定了数据流进出VI（Virtual Instrument）的路径。

传统的顺序代码流是指令驱动，VI 的数据流是数据驱动。

进行数据采集的时候，应该能兼顾到以下几个点，（1）目标温度点，（2）测温仪探测器的输出电压信号（3）测温仪经过标定和算法修正后得到到温度显示信号,将这三点的数据得到后，才能完成标定和误差分析等试验过程。

虚拟仪器技术是对传统仪器和计算机数据处理技术的重大突破。

所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是指在计算机上加入模块化功能硬件，如数据采集卡，用软件在计算机显示器上生成仪器面板，用程序来控制信号的采集、分析和处理，进行结果的表达和输出，实现仪器的功能。

它是主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，将复杂的语言编程简化为可视化的数据流编程，以图标表示功能模块，以图标间连线表示数值传输。

除了提供大量常规函数功能外，还提供丰富的数据采集、分析和处理功能。

同时，Labview 高度集成了各种GPIB、RS-232、RS-485 标准设备及数据采集卡的驱动功能基于labview的实验设计实验教学很重要，但基于传统仪器的硬件实验模式积弊甚多：设备更新周期长，维护工作艰难；传统实验仪器功能固定，可操作性、可扩展性差；实验室管理没有灵活性，资源浪费现象严重，实验开出率、仪器设备利用率不高；实验教学组织方式和管理模式落后。