用于温差发生器的高精度温度测量与控制系统设计

　　1 引 言

　　最小可分辨温差(MRTD)被认为是综合评价热像仪系统性能的首选参数，温差发生器是专为检测红外成像系统MRTD性能参数而设计的标准仪器，在热像仪性能评估中得到广泛应用。高精度的温度测量是研制高性能温差发生器的一个难点，国内外文献中讨论较多的是采用平衡电桥实现高精度温度测量的方法，这种方法存在着成本高、结构复杂等缺点。若采用非平衡电桥作为测温电路，并用软件校正其非线性误差，则能实现高精度低成本的温度测量。数字PID算法在温度控制中得到广范应用，针对具体的执行机构对PID进行改良，可以使控制过程更加快速稳定，并且具有很强的抗干扰能力。

　　2 温度测量

　　温差发生器整个系统的结构框图如图 1 所示。实际温度测量元件要求有较高的灵敏度、稳定性和重复性。金属热电阻是应用最普遍的一种温度测量元件，其最大的特点是稳定性好，其中又以铂电阻的精度最高，它广泛用于精确测量。

　　PT100 的非平衡电桥测量电路[1]是根据电桥的不平衡程度而从电桥的对角点上读取电压信号，这个电压信号的大小反映了其中一个桥臂上的铂热电阻的电阻值变化的大小。这种电桥虽然没有平衡电桥电路精确，但它没有机械反馈过程，响应快，输出为电量，便于进一步传输、变换、处理，利于自动化操作。本系统采用 PT100 的非平衡电桥电路图如图 2 所示。

　　由于采用非平衡电桥进行测量时，PT100 阻值Rt的变化与电桥输出电压 V 是非线性的，所以PT100 本身的温度—阻值线性度要好，要想做到高精度的测量必须进行非线性校正[2]。由电路结构可得到以下关系：

　　其中，VCC 为电源电压，0V 为3R 两端的电压。

　　3 温度控制

　　3.1 驱动电路

　　线性化方法是利用运放的虚短虚断的原理，并且加上一个 MOFET 场效应管来控制加热板两端电压的大小。本系统采用的驱动电路如图 3 所示，该电路的输入端 V 由单片机产生的控制信号经由 16位 DAC 得到，通过 IRF630 的电流随输入电压 V 线性变化，改变可变电阻 R3的阻值可以调节驱动电路的驱动能力。

       这种方案中，匹配反馈电阻的选择很重要，如果电阻选择不适当，采样电压的放大倍数将达不到预定要求，或放大倍数过大使 IRF630 两端电压为负，IRF630 一直关闭，电流不随输入电压 V 变化。