一种极地多点低温温度传感装置及测温方法与流程

本发明涉及一种温度测量技术，尤其是一种极地多点低温温度传感装置。

背景技术：

随着工业生产水平的不断发展，温度测量技术也在逐渐成为技术水平的一项重要指标。极地作为地球上最大冷源，其冰盖或海冰热力学的变化对全球大气环流、气候变化和海平面变化有极大影响，极地浅层冰盖和海冰温度场的变化直接反映了温度变化与极地冰雪热动力学直接相关，是研究全球气候变化的指示剂，所以极地冰雪多点连续温度场的精确检测非常重要。

目前设计的用于观测海冰温度场的多点温度观测装置。每个层位的测温铂电阻需一根独立的信号线缆直接与数据采集盒连接，不足之处是随测量层位的增多，会导致导线越多，或者由于所使用的温度传感器具有测温精度较低的缺陷，使得其无法满足高精度测量极地温度场的需求。

技术实现要素：

发明目的：提供一种极地多点低温温度传感装置及测温方法，以解决上述问题。

技术方案：一种极地多点低温温度传感装置，包括主机记录单元和从机测量单元，其特征在于，从机测量单元包括温度检测模块、数据处理模块和通讯传输模块；

主机记录单元，主要可以分为数据记录和数据分析两个模块，通过数据记录模块对从机测量单元传输的数据进行记录，为数据分析模块的运行提供合理的数据支持，所述数据分析模块对所述数据记录模块记录的数据使用进行优化分析，排除异常数据，实现极地多点温度测量的准确性；

温度检测模块，还包括一种温度检测电路，通过设置温度检测电路对被测场进行温度的多点测量，并通过模数转换芯片对温度检测数据进行模数转换，选用具有低功耗待机模式或完全断电模式的模数转换芯片，可降低从机功耗，为后续数据处理提供数据；

数据处理模块，为了降低从机功耗，主要使用具有低功耗待机模式的单片机对数据进行初步处理，在主机的管理下，从机接收到数据包后进行判断，当数据包中的目标地址与从机地址相同时，通过单片机的串口中断程序退出低功耗模式并执行对所需测量数据进行必要的传输和存储工作命令，工作完之后立即进入低功耗模式；

通讯传输模块，采用一主多从的通讯结构，主机发出指令使所有的从机在同一时刻采集温度，再分别在从机处逐一读取回温度数据，实现主机和从机之间数据的无线传输和交换，保证能同时采得所有温度点的温度值；

温度检测电路，包括并联稳压集成电路u1、运算放大器u2：a、运算放大器u2：b、运算放大器u2：c、运算放大器u2：d、铂电阻rt1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电位器rv1、电位器rv2、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和三极管q1，所述并联稳压集成电路u1的第1引脚与所述电位器rv1的第3引脚连接，所述并联稳压集成电路u1的第2引脚与所述电位器rv1的第2引脚均接地，所述并联稳压集成电路u1的第3引脚分别与所述电位器rv1的第1引脚、所述电阻r7的一端、所述电阻r1的一端和所述电阻r2的一端连接，所述电阻r7的另一端接vcc电压信号，所述电阻r1的另一端分别与所述铂电阻rt1的一端、所述电阻r5的一端连接，所述电阻r2的另一端分别与所述电阻r3的一端、所述电阻r6的一端连接，所述铂电阻rt1的另一端分别与所述电阻r3的另一端、所述电阻r4的一端连接，所述电阻r4的另一端接地，所述电阻r5的另一端分别与所述电容c1的一端、所述电位器rv2的第1引脚、所述电位器rv2的第3引脚和所述运算放大器u2：a的同相输入端连接，所述电阻r6的另一端分别与所述电容c1的另一端、所述电位器rv2的第2引脚和所述运算放大器u2：b的同相输入端连接，所述运算放大器u2：a的反相输入端分别与所述电阻r8的一端、所述电阻r9的一端连接，所述运算放大器u2：a的输出端分别与所述电阻r9的另一端、所述电阻r11的一端连接，所述运算放大器u2：b的反相输入端分别与所述电阻r8的另一端、所述电阻r10的一端连接，所述运算放大器u2：b的输出端分别与所述电阻r10的另一端、所述电阻r12的一端连接，所述电阻r11的另一端分别与所述电容c2的一端、所述电阻r13的一端和所述运算放大器u2：c的反相输入端连接，所述电阻r12的另一端分别与所述电阻r14的一端、所述电容c3的一端和所述运算放大器u2：c的同相输入端连接，所述电阻r14的另一端与所述电容c3的另一端均接地，所述电容c2的另一端分别与所述电阻r13的另一端、所述运算放大器u2：c的输出端和所述电阻r15的一端连接，所述电阻r15的另一端与所述运算放大器u2：d的同相输入端连接，所述运算放大器u2：d的反相输入端与所述电阻r16的一端、所述电容c4的一端和所述三极管q1的发射极均接输出信号，所述电阻r16的另一端均接地，所述电容c4的另一端接地，所述运算放大器u2：d的输出端与所述电阻r17的一端连接，所述电阻r17的另一端与所述三极管q1的基极连接，所述三极管q1的集电极与所述电阻r18的一端连接，所述电阻r18的另一端接vcc电压信号。

根据本发明的一个方面，所述铂电阻rt1为铂电阻pt1000，阻值变化幅度大，测温的灵敏度较高，对极地被测场进行连续的实时温度测量，并将测量数据传递给所述数据处理模块，通过与多个从机测量单元的温度检测模块的测量数据进行比较，避免了突变的温度数据，保证对极地温度的全面测量。

根据本发明的一个方面，所述并联稳压集成电路u1为并联稳压集成电路tl431，在电路中起到稳压二极管的作用，为电桥提供一个稳定的基准电压作为输入电压，在稳定低压时保证高阻值特性，从而保护所述铂电阻pt1000的测量电路不因高压产生损坏。

根据本发明的一个方面，所述运算放大器u2：a、所述运算放大器u2：b、所述运算放大器u2：c、所述运算放大器u2：d为运算放大器lm324，组成差动放大电路，放大压差信号后输出期望大小的电压信号。

根据本发明的一个方面，所述电位器rv2为线性电位器，调节电位器rv2阻值大小可以改变温度的零点设定。

根据本发明的一个方面，所述温度检测模块的模数转换芯片型号为ads1232，所述数据处理模块的单片机型号为msp430g2553。

一种极地多点低温测温方法，通过非平衡电桥可以测量连续变化物理量的优势测出铂电阻阻值，再根据阻值计算出温度，具体步骤为：

步骤1、电桥两端输入电压uac作为模数转换芯片ads1232的参考电压vref，即uac=vref，电桥的输出电压δuo作为模数转换芯片ads1232的测量电压；

步骤2、建立电桥输出电压δuo的计算公式并从中分析测量的铂电阻rt1的阻值数据；

步骤21、根据电桥的连接方式，电桥输出电压δuo的计算公式可以进一步表示为：

δuo=vref[rt1/(r1+rt1)-r3/(r2+r3)](1)

其中，rt1为所述铂电阻rt1的阻值，r1为所述电阻r1的阻值，r2为所述电阻r2的阻值，r3为所述电阻r3的阻值；

步骤22、由模数转换芯片ads1232数据手册得知ad转换得到的数据adcx为：

adcx=2g(2²³-1)δuo/vref(2)

其中，g为增益；

步骤23、根据传递函数建立模型可以得知：

rt1=r1{1/[r2/(r2+r3)-adcx/2g(2²³-1)]-1}(3)

其中，由于模数转换芯片ads1232的测量电压可以是双极性的，可以通过识别adcx的符号位来判断温度的正负值。

根据本发明的一个方面，温度一定的情况下，这种测量阻值方法不受输入电压波动的影响，从而可以更精确的计算出铂电阻rt1的阻值。

根据本发明的一个方面，铂电阻rt1的测量精度仅与组成桥臂的电阻r1、电阻r2、电阻r3和ad转换模块精度有关，电阻r1、电阻r2、电阻r3使用高精度电阻，并且通过单片机msp430g2553中的算法进行校准补偿，所以温度检测模块具有较高的测量精度。

有益效果：本发明能够解决现有技术中在测量极地温度场过程中因为随测量层位的增多，导致导线越多，或者由于所使用的温度传感器具有测温精度较低的缺陷。通过非平衡电桥可以测量连续变化物理量的优势测出铂电阻阻值，再根据阻值计算出温度，从而具有较高的测量精度。具体将在下文描述。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的温度检测电路的原理图。

具体实施方式

如图1所示，在该实施例中，一种极地多点低温温度传感装置，包括主机记录单元和从机测量单元，其特征在于，从机测量单元包括温度检测模块、数据处理模块和通讯传输模块；

主机记录单元，主要可以分为数据记录和数据分析两个模块，通过数据记录模块对从机测量单元传输的数据进行记录，为数据分析模块的运行提供合理的数据支持，所述数据分析模块对所述数据记录模块记录的数据使用进行优化分析，排除异常数据，实现极地多点温度测量的准确性；

温度检测模块，还包括一种温度检测电路，通过设置温度检测电路对被测场进行温度的多点测量，并通过模数转换芯片对温度检测数据进行模数转换，选用具有低功耗待机模式或完全断电模式的模数转换芯片，可降低从机功耗，为后续数据处理提供数据；

数据处理模块，为了降低从机功耗，主要使用具有低功耗待机模式的单片机对数据进行初步处理，在主机的管理下，从机接收到数据包后进行判断，当数据包中的目标地址与从机地址相同时，通过单片机的串口中断程序退出低功耗模式并执行对所需测量数据进行必要的传输和存储工作命令，工作完之后立即进入低功耗模式；

通讯传输模块，采用一主多从的通讯结构，主机发出指令使所有的从机在同一时刻采集温度，再分别在从机处逐一读取回温度数据，实现主机和从机之间数据的无线传输和交换，保证能同时采得所有温度点的温度值；

如图2所示，温度检测电路，包括并联稳压集成电路u1、运算放大器u2：a、运算放大器u2：b、运算放大器u2：c、运算放大器u2：d、铂电阻rt1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电位器rv1、电位器rv2、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和三极管q1，所述并联稳压集成电路u1的第1引脚与所述电位器rv1的第3引脚连接，所述并联稳压集成电路u1的第2引脚与所述电位器rv1的第2引脚均接地，所述并联稳压集成电路u1的第3引脚分别与所述电位器rv1的第1引脚、所述电阻r7的一端、所述电阻r1的一端和所述电阻r2的一端连接，所述电阻r7的另一端接vcc电压信号，所述电阻r1的另一端分别与所述铂电阻rt1的一端、所述电阻r5的一端连接，所述电阻r2的另一端分别与所述电阻r3的一端、所述电阻r6的一端连接，所述铂电阻rt1的另一端分别与所述电阻r3的另一端、所述电阻r4的一端连接，所述电阻r4的另一端接地，所述电阻r5的另一端分别与所述电容c1的一端、所述电位器rv2的第1引脚、所述电位器rv2的第3引脚和所述运算放大器u2：a的同相输入端连接，所述电阻r6的另一端分别与所述电容c1的另一端、所述电位器rv2的第2引脚和所述运算放大器u2：b的同相输入端连接，所述运算放大器u2：a的反相输入端分别与所述电阻r8的一端、所述电阻r9的一端连接，所述运算放大器u2：a的输出端分别与所述电阻r9的另一端、所述电阻r11的一端连接，所述运算放大器u2：b的反相输入端分别与所述电阻r8的另一端、所述电阻r10的一端连接，所述运算放大器u2：b的输出端分别与所述电阻r10的另一端、所述电阻r12的一端连接，所述电阻r11的另一端分别与所述电容c2的一端、所述电阻r13的一端和所述运算放大器u2：c的反相输入端连接，所述电阻r12的另一端分别与所述电阻r14的一端、所述电容c3的一端和所述运算放大器u2：c的同相输入端连接，所述电阻r14的另一端与所述电容c3的另一端均接地，所述电容c2的另一端分别与所述电阻r13的另一端、所述运算放大器u2：c的输出端和所述电阻r15的一端连接，所述电阻r15的另一端与所述运算放大器u2：d的同相输入端连接，所述运算放大器u2：d的反相输入端与所述电阻r16的一端、所述电容c4的一端和所述三极管q1的发射极均接输出信号，所述电阻r16的另一端均接地，所述电容c4的另一端接地，所述运算放大器u2：d的输出端与所述电阻r17的一端连接，所述电阻r17的另一端与所述三极管q1的基极连接，所述三极管q1的集电极与所述电阻r18的一端连接，所述电阻r18的另一端接vcc电压信号。

在进一步的实施例中，所述铂电阻rt1为铂电阻pt1000，阻值变化幅度大，测温的灵敏度较高，对极地被测场进行连续的实时温度测量，并将测量数据传递给所述数据处理模块，通过与多个从机测量单元的温度检测模块的测量数据进行比较，避免了突变的温度数据，保证对极地温度的全面测量。

在更进一步的实施例中，所述铂电阻rt1与所述电阻r1、所述电阻r2和所述电阻r3组成非平衡电桥，通过非平衡电桥可以测量连续变化物理量的优势测出铂电阻rt1阻值，再根据阻值计算出温度。

在进一步的实施例中，所述并联稳压集成电路u1为并联稳压集成电路tl431，在电路中起到稳压二极管的作用，为电桥提供一个稳定的基准电压作为输入电压，在稳定低压时保证高阻值特性，从而保护所述铂电阻pt1000的测量电路不因高压产生损坏。

在更进一步的实施例中，采用所述并联稳压集成电路u1和所述电位器vr1调节产生参考电源。

在进一步的实施例中，所述运算放大器u2：a、所述运算放大器u2：b、所述运算放大器u2：c、所述运算放大器u2：d为运算放大器lm324，组成差动放大电路，放大压差信号后输出期望大小的电压信号。

在更进一步的实施例中，当所述铂电阻rt1的电阻值和所述电位器vr2的电阻值不相等时，电桥输出一个mv级的压差信号，这个压差信号经过所述运算放大器u2：a、所述运算放大器u2：b、所述运算放大器u2：c、所述运算放大器u2：d放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连模数转换芯片。

在更进一步的实施例中，差动放大电路中所述电阻r5的阻值与所述电阻r6的阻值相等，所述电阻r9的阻值与所述电阻r10的阻值相等。

在进一步的实施例中，所述电位器rv2为线性电位器，调节电位器rv2阻值大小可以改变温度的零点设定。

在进一步的实施例中，所述温度检测模块的模数转换芯片型号为ads1232，所述数据处理模块的单片机型号为msp430g2553。

一种极地多点低温测温方法，通过非平衡电桥可以测量连续变化物理量的优势测出铂电阻阻值，再根据阻值计算出温度，具体步骤为：

步骤1、电桥两端输入电压uac作为模数转换芯片ads1232的参考电压vref，即uac=vref，电桥的输出电压δuo作为模数转换芯片ads1232的测量电压；

步骤2、建立电桥输出电压δuo的计算公式并从中分析测量的铂电阻rt1的阻值数据；

步骤21、根据电桥的连接方式，电桥输出电压δuo的计算公式可以进一步表示为：

δuo=vref[rt1/(r1+rt1)-r3/(r2+r3)](1)

其中，rt1为所述铂电阻rt1的阻值，r1为所述电阻r1的阻值，r2为所述电阻r2的阻值，r3为所述电阻r3的阻值；

步骤22、由模数转换芯片ads1232数据手册得知ad转换得到的数据adcx为：

adcx=2g(2²³-1)δuo/vref(2)

其中，g为增益；

步骤23、根据传递函数建立模型可以得知：

rt1=r1{1/[r2/(r2+r3)-adcx/2g(2²³-1)]-1}(3)

其中，由于模数转换芯片ads1232的测量电压可以是双极性的，可以通过识别adcx的符号位来判断温度的正负值。

在进一步的实施例中，温度一定的情况下，这种测量阻值方法不受输入电压波动的影响，从而可以更精确的计算出铂电阻rt1的阻值。

在进一步的实施例中，铂电阻rt1的测量精度仅与组成桥臂的电阻r1、电阻r2、电阻r3和ad转换模块精度有关，电阻r1、电阻r2、电阻r3使用高精度电阻，并且通过单片机msp430g2553中的算法进行校准补偿，所以温度检测模块具有较高的测量精度。

总之，本发明具有以下优点：通过非平衡电桥可以测量连续变化物理量的优势测出铂电阻阻值，再根据阻值计算出温度，从而具有较高的测量精度。主机与从机之间通过多机通讯方式，从机采用低功耗单片机msp430g2553、24位高精度模数转换芯片ads1232和铂电阻，既保证了较高的测量精度又实现了每个从机可以设置自己独有的地址，通过无线通讯交换数据，无需增加额外的线缆，从机个数可以视测量深度和点数进行相应变动，具有极大的灵活性。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。