专利名称：一种非接触式的温度测量装置及其测温方法
技术领域：
本发明属于测温技术领域，具体涉及一种非接触式的温度测量装置及其测温方法。
背景技术：
在日常生活和工业生产过程中，经常需要测量各种物体的温度。温度在许多技术领域都是一个非常重要的指标参数，在工业、医疗、军事和生活等许多领域，都需要用到测温装置来监测温度。温度的自动监测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失采取的重要措施之一。特定场合下由于监测点比较分散、偏远，采用传统的温度测量方式周期长、成本高，而且测量员必须到现场进行测量，因此工作效率非常低。测温技术分接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温需要将传感器紧贴被测物体表面，同时测量电路和传感器之间有线路相连接。常用的接触式测温技术有热电耦测温、热敏电阻测温、半导体测温、光纤测温等方法。非接触式测温目前主要采用红外测温技术，测量电路与被测物体表面相分离，适合于远距离测量或者一些特殊场合。但是，有一些场合既不能采用常用的接触式测温技术，也不能采用红外非接触测温方式。例如高压电力电缆的内部芯线温度测量，由于芯线外部有绝缘层保护，红外线无法穿透，因此无法使用红外测温技术。而由于电缆芯线处于高电位，从安全考虑也无法通过电路接触的方法直接测温。而如果采用光纤测温的方式，虽然解决了电气隔离的问题，但是在实际安装上非常困难。因此，目前针对高压电力电缆内部芯线的温度测量，还没有任何一项可靠的测温技术及设备，更无法根据温度对相关应用进行一些安全措施的部署，使得采用高压电缆的电力设备仍存在着相当的安全隐患。公开号为CN102539005A的中国专利提出了一种非接触式的温度测量方法，其在将测量到的温度电压信号转换为温度信息时，微控制器利用A/D采样得到的三个电压幅值和电压信号周期来计算温度传感器中热敏电阻的阻值，然后得到对应的温度。但这种测量方法有一定局限性:首先在这种测量方法中，DSP利用自身A/D采样单元对调理过得信号进行采样，但DSP自身的A/D采样单元受制于DSP主频，对高频信号采样时采样点数过少，不容易采得需要的电压幅值，对计算温度值有一定影响；其次在测量温度电压信号周期时，由于该信号频率较高，因此用DSP不容易直接测量到准确的信号周期，这也必然影响计算温度的精度和分辨率；另外由于该方法直接在时域中对采样电压信息直接做计算，采样得到的电压本身较小，容易受到噪声以及寄生参数影响，使得采集得到的电压受到干扰，也会影响计算的准确度；最后该系统中的温度传感器使用到热敏电阻，这不仅增加温度传感器的体积，而且为了能够采样到足够的衰减电压波形，电感体积也必须较大；这些因素都不利于将传感器放置在对传感器体积敏感的工作场合。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种非接触式的温度测量装置及其测温方法，能够有效提高温度测量的精度，减小装置的体积。—种非接触式的温度测量装置，包括:控制器；与控制器相连的驱动电路，用于将控制器提供的两路驱动信号进行放大后输出；与驱动电路相连的开关电路，用于根据两路放大后的驱动信号，输出方波信号；与开关电路相连的谐振电路，用于将方波信号转换成交流电压信号；与谐振电路耦合的温度传感器，用于感应待测物体的温度，并将所述的交流电压信号作为工作电压，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号传送给谐振电路；与谐振电路相连的信号检测电路，用于采集谐振电路接收到的温度电压信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号；所述的控制器与信号检测电路相连，控制器用于对所述的检测电压信号进行采样，进而根据检测电压信号分析计算出待测物体的温度；所述的温度传感器采用串联式谐振电路，串联式谐振电路为由一谐振电容和一谐振电感串联构成的回路，串联式谐振电路的谐振电阻为该回路中线路和电感的内阻。所述的开关电路由两个MOS管Ql Q2和两个二极管Dl D2构成；其中，MOS管Ql的源极接第一电源电压，栅极为开关电路的第一输入端并接收驱动电路输出的第一驱动信号，漏极与二极管Dl的阳极相连；M0S管Q2的源极接地，栅极为开关电路的第二输入端并接收驱动电路输出的第二驱动信号，漏极与二极管D2的阴极相连；二极管Dl的阴极与二极管D2的阳极相连构成开关电路的输出端并输出方波信号。所述的信号检测电路由四个电阻R3 R6、一个电容C3和一个运算放大器U构成；其中，电阻R3的一端为信号检测电路的输入端并采集谐振电路接收到的温度电压信号，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U的正相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连并接地，电阻R5的另一端与运算放大器U的反相输入端、电阻R6的一端和电容C3的一端相连，运算放大器U的正电源端接第二电源电压，运算放大器U的负电源端接第三电源电压，运算放大器U的输出端与电阻R6的另一端和电容C3的另一端相连构成信号检测电路的输出端并输出检测电压信号。所述的控制器由一 MCU (微控制单兀)芯片和与MCU相连的一外置Α/D米样芯片组成。所述的谐振电路采用串联式谐振电路。上述温度测量装置的测温方法，包括如下步骤:(I)利用控制器驱动开关电路输出方波信号，通过谐振电路将所述的方波信号转换成交流电压信号，进而将所述的交流电压信号耦合至温度传感器，使温度传感器工作后控制器停止驱动；(2)使温度传感器感应待测物体的温度，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号，进而将所述的温度电压信号耦合至谐振电路；利用信号检测电路采集谐振电路接收到的温度电压信号，经调理整形后向控制器提供对应的检测电压信号；(3)使控制器根据所述的检测电压信号分析计算出待测物体的温度。所述的步骤(3)中，控制器分析计算待测物体温度的过程如下:a.对所述的检测电压信号进行采样并截取其中N个连续的采样点Xc1-Xn+ N为大于I的自然数；b.对上述N个采样点Xc1-Xim的电压值进行时域范围内的预处理，得到各采样点的预处理电压值；c.根据各采样点的预处理电压值通过离散傅里叶变换，计算出检测电压信号的离散傅里叶变换值Yl ;d.取采样点Xtl之后的第m个采样点Xm，以采样点Xm为起始点从检测电压信号中截取N个连续的采样点Xm Xn+m，m为大于I的自然数；e.根据步骤b和C，对N个采样点Xm X1^rl的电压值依次进行预处理及离散傅里叶变换，计算出检测电压信号的离散傅里叶变换值Y2 ；f.根据两个离散傅里叶变换值Yl Y2，计算出当前温度传感器的谐振电阻值，进而计算出待测物体的温度。所述的步骤b中，根据以下算式对N个采样点Xc1-Xim的电压值进行时域范围内的预处理:F(Xi) =V(Xi) -V(Xm)其中=F(Xi)为采样点Xi的预处理电压值，V(Xi)为采样点Xi的电压值，V(Xm)为采样点X1H的电压值，I为自然数且O彡i彡N-1。所述的步骤c中，根据以下算式进行离散傅里叶变换:
权利要求
1.一种非接触式的温度测量装置，其特征在于，包括: 控制器； 与控制器相连的驱动电路，用于将控制器提供的两路驱动信号进行放大后输出； 与驱动电路相连的开关电路，用于根据两路放大后的驱动信号，输出方波信号； 与开关电路相连的谐振电路，用于将方波信号转换成交流电压信号； 与谐振电路耦合的温度传感器，用于感应待测物体的温度，并将所述的交流电压信号作为工作电压，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号传送给谐振电路； 与谐振电路相连的信号检测电路，用于采集谐振电路接收到的温度电压信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号； 所述的控制器与信号检测电路相连，控制器用于对所述的检测电压信号进行采样，进而根据检测电压信号分析计算出待测物体的温度； 所述的温度传感器采用串联式谐振电路，串联式谐振电路为由一谐振电容和一谐振电感串联构成的回路。
2.根据权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于:所述的控制器由一MCU和与MCU相连的一外置A/D米样芯片组成。
3.一种如权利要求1或2所述的温度测量装置的测温方法，包括如下步骤: (1)利用控制器驱动开关电路输出方波信号，通过谐振电路将所述的方波信号转换成交流电压信号，进而将所述的交流电压信号耦合至温度传感器，使温度传感器工作后控制器停止驱动； (2)使温度传感器感应待测物体的温度，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号，进而将所述的温度电压信号耦合至谐振电路；利用信号检测电路采集谐振电路接收到的温度电压信号，经调理整形后向控制器提供对应的检测电压信号； (3)使控制器根据所述的检测电压信号分析计算出待测物体的温度。
4.根据权利要求3所述的测温方法，其特征在于:所述的步骤(3)中，控制器分析计算待测物体温度的过程如下: a.对所述的检测电压信号进行采样并截取其中N个连续的采样点Xtl XN_1;N为大于I的自然数； b.对上述N个采样点Xc1-Xim的电压值进行时域范围内的预处理，得到各采样点的预处理电压值； c.根据各采样点的预处理电压值通过离散傅里叶变换，计算出检测电压信号的离散傅里叶变换值Yl ； d.取采样点Xtl之后的第m个采样点Xm，以采样点Xm为起始点从检测电压信号中截取N个连续的采样点Xm m为大于I的自然数； e.根据步骤b和C，对N个采样点Xm Χ,+μ的电压值依次进行预处理及离散傅里叶变换，计算出检测电压信号的离散傅里叶变换值Υ2 ； f.根据两个离散傅里叶变换值Yl Y2，计算出当前温度传感器的谐振电阻值，进而计算出待测物体的温度。
5.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于:所述的步骤b中，根据以下算式对N个采样点\ Xim的电压值进行时域范围内的预处理:F(Xi) = V(Xi).V(Xm) 其中=F(Xi)为采样点Xi的预处理电压值，V(Xi)为采样点Xi的电压值，V(Xm)为采样点Xim的电压值，i为自然数且O彡i彡N-1。
6.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于:所述的步骤c中，根据以下算式进行离散傅里叶变换:
7.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于:所述的步骤e中，首先，根据以下算式对N个采样点Xm Χ,+μ的电压值进行时域范围内的预处理:F(Xi+m) = V (XiJ.V(Xn^1) 其中:F(Xi+m)为采样点Xi+m的预处理电压值，V (XiJ为采样点Xi+m的电压值，V(XN+mJ为采样点ΧΝ+η^的电压值，i为自然数且OSiSN-1; 然后，根据以下算式进行离散傅里叶变换:
8.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于:所述的步骤f中，根据以下算式计算当前温度传感器的谐振电阻值:
9.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于:所述的步骤f中，根据以下算式计算待测物体的温度:R = R0(l+a (t-t0)) 其中:R为当前温度传感器的谐振电阻值，t为待测物体的温度，Rtl为待测物体温度为tQ时温度传感器的谐振电阻值，α为温度系数。
10.根据权利要求6或7所述的测温方法，其特征在于:所述的计算参数k根据公式k=2*R0UND ( Ω / Ω ^求得，Ω 1=2 Ji f/fs, fs为检测电压信号的采样频率，f为检测电压信号的信号频率，ROUND为四舍五入函数。
全文摘要
本发明公开了一种非接触式的温度测量装置，包括控制器、驱动电路、开关电路、谐振电路、温度传感器和信号检测电路。其中温度传感器的谐振电阻为电感及线路内阻，此电阻相对较小，因此在谐振时温度电压信号的衰减率比较低，可以产生较多个周期的衰减的正弦温度电压信号，同时也相应减小了装置的体积。本发明还公开了上述温度测量装置的测温方法，其基于离散傅里叶变换无需求解采样信号的微分方程，便于计算机分析计算；其次频域分析中，可将有效信号频率和无用干扰信号频率分离，在物理意义上也更为直观，这样可以尽可能的减少信号干扰，便于作进一步的分析处理。
文档编号G01K7/18GK103207031SQ201310088568
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者吴建德, 赵崇文, 何湘宁, 黄强 申请人:浙江大学