一种高精密热敏电阻温度计校准装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及热敏电阻温度计，尤其涉及一种高精密热敏电阻温度计校准装置。
【背景技术】
[0002] 热敏电阻自1940年研制成功以来，发展非常迅速，由于其具有灵敏度高、体积小、 结构简单以及响应时间短等优点，使得其由最初作为通信仪器的温度补偿及自动放大调节 装置，演变为广泛应用于家电、汽车及生物医药等各领域的温度传感器。目前国内外航天器 上用于飞行试验的温度传感器主要采用热敏电阻。在大部分对数放大器的电路中也采用热 敏电阻温度计对其温度进行补偿。
[0003] 负温度系数热敏电阻以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制 造而成，温度低时，氧化物材料的载流子数目少，电阻值较高;随着温度的升高，载流子数目 增加，电阻值降低。
[0004] 热敏电阻的优点：一、是灵敏度较高;二、是工作温度范围宽，高温器件适用温度高 于315°C (最高可达2000°C)，低温器件适用于_273°C~55°C;三、是体积小，能够测量其他温 度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度（目前大都数字体温计均采用热敏电阻 温度计的为测温探头）；四、是使用方便，电阻值可在O.lkQ~l〇〇kQ间任意选择;五、是易 加工成复杂的形状，可大批量生产;六是稳定性好，过载能力强。主要缺点是热电特性非线 性现象严重，使用时必须进行线性补偿。
[0005] 高精密热敏电阻温度计具有优异的准确度及稳定性。其最大允许误差优于土 0.01°C，标准级热敏电阻温度计最大允许误差为±0.001°C，可溯源至NIST的校准报告，价 格却低于SPRT(标准铂电阻温度计），在(0~100)°C温度范围内具有很高的性价比。因此，高 精密热敏电阻温度计的使用越来越广泛，在生物、遗传、病毒、水产、环保、医药、卫生、生化 实验室、分析室、教育科研的必备工具之一。
[0006] 然而，国内虽已有《JJF1170-2007》负温度系数低温电阻温度计校准规范，但该规 范适用的范围为1.2K~271.1K的低温锗电阻温度计、低温氧化物热敏电阻温度计和低温渗 碳玻璃电阻温度计，并没有(〇~100) °C高精密热敏电阻温度计的计量规范和校准方法。
[0007] 因此，现在无法对热敏电阻温度计单独进行标定，无法标定的原因除了国家还未 制定出相应的校准规范之外，还有以下几点原因：
[0008] 1.没有对热敏电阻温度计测量数据进行有效的拟合的方法。
[0009] 2.根据生产商家给出的拟合公式，没有方法验证其拟合精度。
[0010] 由于热敏电阻使用时都经过线性补偿，如果无法拟合，则根本无法验证和校准。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题是提供一种高精密热敏电阻温度计校准装置，解决现 在没有有效的测量数据的拟合方法，无法验证拟合精度，造成的无法进行校准的缺陷。 [00 12]技术方案
[0013] -种高精密热敏电阻温度计校准装置，包括待校准的高精密热敏电阻温度计、标 准器、测温电桥和恒温槽，其特征在于:在恒温槽内放置待校准的高精密热敏电阻温度计 和标准器，所述待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器分别连接至同一个测温电桥，所 述测温电桥得到从所述待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器传送来的两组温度数据， 并将温度数据传送至数据拟合系统进行数据拟合，从而对所述待校准的高精密热敏电阻温 度计进行校准;所述标准器采用标准铂电阻温度计，所述恒温槽采用恒温水槽，所述数据拟 合系统包括数据导入模块、数据拟合模块、拟合结果和误差精度计算与分析模块，所述数据 拟合模块包括数据拟合算法选择子模块，连接对应的算法子模块。
[0014] 进一步，所述数据拟合算法选择子模块包括算法选择部分和校准点选择部分。 [0015] 进一步，所述数据拟合算法选择子模块的算法选择部分包括Steinhart-Hart方程 选择，多项式最小二乘法选择和切比雪夫多项式法选择，校准点选择部分包括参与拟合的 数据的校准点分段选择和校准点位置选择。
[0016] 进一步，所述算法选择部分的Steinhart-Hart方程选择，在校准点选择部分选择 分多段拟合，校准点位置选择每段的最低温度、中间温度和最高温度。
[0017] 所述算法选择部分的切比雪夫多项式法选择，在校准点选择部分选择分两段或分 三段拟合。
[0018] 进一步，所述拟合结果和误差精度计算与分析模块通过下列公式进行计算：
[0020]其中：Tstd是校准数据拟合的标准偏差，按温度表示;TCl是校准点数据拟合后得出 的温度值;TEi是校准点实测的温度值;m是参加拟合的校准点数;η是拟合的方次。
[0021 ]进一步，所述拟合的方次不超过校准点数的一半。
[0022] 进一步，所述拟合的方次采用4次方。
[0023] 进一步，所述标准器采用一等标准钼电阻温度计，扩展不确定度:U=5mK(k = 2); 所述测温电桥相对误差为1 X 10-6%，所述恒温水槽的均匀度为5mK，波动度为5mK。
[0024] 进一步，所述恒温水槽作为校准用恒温装置，在恒温水槽中放置有等温块，当温度 波动度小于允许值后稳定5分钟，开始进行温度计测量，若温度计测量未结束，温度波动超 出允许值，等待温度稳定后再重新开始测量。
[0025]有益效果
[0026]本发明的高精密热敏电阻温度计校准装置增加了温度数据拟合系统，可以选取采 用不同的拟合方法对得到的温度数据进行拟合，比较拟合精度，得到最准确的拟合结果，从 而实现对热敏电阻温度计的精确校准;并且在实际校准过程中，可以根据不同的拟合方式 进行多种校准点和分段拟合，进行拟合精度验证;本发明的校准装置还填补了我国在(〇~ 100) °c区间内高精密热敏电阻温度计校准方法和校准装置研究的空白，确定数据非线性拟 合的方法，并能对拟合效果进行验证，通过不确定度评定验证整个校验过程，能为研究热敏 电阻温度计的阻温特性提供帮助。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明的装置连接示意图。
[0028] 图2为本发明的数据拟合系统的具体流程图。 其中：1-恒温槽，2-待校准的高精密热敏电阻温度计，3-标准器，4-测温电桥，5-数据拟 合系统。
【具体实施方式】
[0029]下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
[0030] 作为温度测量三大传感器热电偶、热电阻、及热敏电阻，对热敏电阻的校验方法研 究还很少。
[0031] 本发明提出一种高精密热敏电阻温度计校准装置，填补了我国（0~100)°C区间内 高精密热敏电阻温度计校准方法和校准装置研究的空白，确定数据非线性拟合的方法，并 对拟合效果进行验证，通过不确定度评定验证整个校验过程，为研究普通热敏电阻温度计 阻温特性及校准方法提供理论依据和装置实现。
[0032] 如附图1所示，本发明的高精密热敏电阻温度计校准装置包括待校准的高精密热 敏电阻温度计2、标准器3、测温电桥4和恒温槽1，在恒温槽1内放置待校准的高精密热敏电 阻温度计2和标准器3,所述待校准的高精密热敏电阻温度计2和标准器3分别连接至同一个 测温电桥4,所述测温电桥4得到从所述待校准的高精密热敏电阻温度计2和标准器3传送来 的两组温度数据，并将温度数据传送至数据拟合系统5进行数据拟合，从而对所述待校准的 高精密热敏电阻温度计2进行校准;所述标准器3采用标准铂电阻温度计，所述恒温槽1采用 恒温水槽，所述数据拟合系统5包括数据导入模块、数据拟合模块、拟合结果和误差精度计 算与分析模块，所述数据拟合模块包括数据拟合算法选择子模块，连接对应的算法子模块， 所述数据拟合算法选择子模块包括算法选择部分和校准点选择部分。
[0033] 标准器3选择标准钼电阻温度计，扩展不确定度:U = 5mK(k = 2)，测温电桥4选择 FLUKE1590,测温电桥相对误差为1X10-6%，输出电流可在0.001mA至15mA，范围（0~100) Ω，使用恒温水槽作为校准用恒温装置，均匀度5mK，波动度5mK。
[0034] 在恒温水槽中放置等温块，当温度波动度小于允许值后稳定5分钟，开始温度测 量，若温度计测量未结束，温度波动超出允许值，则需等待温度稳定后再重新开始测量。 [0035]被校准的高精密热敏电阻温度计2的测量由测温电桥4完成，按照如下的顺序测 量：
[0036]标准-被检-被检-标准的顺序取四遍测量结果的平均值为被测温度计在该温度点 的阻值。
[0037]理论上高精密热敏电阻的特性曲线方程是负指数方程，但在实际中使用该方程所 带来的非线性误差较大。因此，通常选择更好的算法方程来对电阻的特性曲线进行拟合。本 发明的数据拟合算法选择子模块的算法选择部分包括Steinhart-Hart方程选择，多项式最 小二乘法选择和切比雪夫多项式法选择，校准点选择部分包括参与拟合的数据的校准点分 段选择和校准点位置选择。
[0038] Steinhart-Hart方程是较为通用的拟合方程，该方程形式较为简单，通过三点法 可以得到方程的三个系数，计算较为简便;而采用多项式最小二乘法进行拟合则可以获得 较高的拟合精度，采用切比雪夫多项式进行拟合则可以从理论上以任意精度逼近，但需要 人为确定拟合方次并设法避免过度拟合的情况，计算较为复杂。
[0039] 通过Steinhart-Hart方程，多项式最小二乘法拟合及切比雪夫多项式最小二乘法 拟合这三种算法对温度数据进行曲线拟合，计算出拟合标准偏差，可在整个被校温度计的 使用温区进行数据拟合，当在整个使用温区上拟合偏差较大时，也可以将整个使用温区分 成二个至三个温度进行拟合。拟合后计算出校准数据拟合的标准偏差，和拟合残差绝对值 的平均值，得到拟合的精度。
[0040]数据拟合后，根据拟合的温度数据就可以计算出被校准的高精密热敏电阻温度计 的不确定度，对温度计进行校准。
[0041 ]具体的上述三种拟合方法的算法公式为：
[0042] 1 · Steinhart-Hart 方程
[0043] Steinhart-Hart方程由海洋学家Steinhart和Hart推导得出的R-T特性模型，方 程为：
[0045]式中，A，B，C为方程参数，T为温度，R为热敏电阻的阻值。在待测量范围内测量出覆 盖该范围的三个标定数据，设最低温度、中间温度和最高温度分别为Tl、Tm、和TH，对应的热 敏电阻