專(zhuān)利名稱(chēng)：一種非接觸式的溫度測(cè)量裝置及其測(cè)溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式的溫度測(cè)量裝置及其測(cè)溫方法。
背景技術(shù)：
在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要測(cè)量各種物體的溫度。溫度在許多技術(shù)領(lǐng)域都是一個(gè)非常重要的指標(biāo)參數(shù)，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多領(lǐng)域，都需要用到測(cè)溫裝置來(lái)監(jiān)測(cè)溫度。溫度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為各行各業(yè)進(jìn)行安全生產(chǎn)和減少損失采取的重要措施之一。特定場(chǎng)合下由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散、偏遠(yuǎn)，采用傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方式周期長(zhǎng)、成本高，而且測(cè)量員必須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，因此工作效率非常低。測(cè)溫技術(shù)分接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類(lèi)。接觸式測(cè)溫需要將傳感器緊貼被測(cè)物體表面，同時(shí)測(cè)量電路和傳感器之間有線(xiàn)路相連接。常用的接觸式測(cè)溫技術(shù)有熱電耦測(cè)溫、熱敏電阻測(cè)溫、半導(dǎo)體測(cè)溫、光纖測(cè)溫等方法。非接觸式測(cè)溫目前主要采用紅外測(cè)溫技術(shù)，測(cè)量電路與被測(cè)物體表面相分離，適合于遠(yuǎn)距離測(cè)量或者一些特殊場(chǎng)合。但是，有一些場(chǎng)合既不能采用常用的接觸式測(cè)溫技術(shù)，也不能采用紅外非接觸測(cè)溫方式。例如高壓電力電纜的內(nèi)部芯線(xiàn)溫度測(cè)量，由于芯線(xiàn)外部有絕緣層保護(hù)，紅外線(xiàn)無(wú)法穿透，因此無(wú)法使用紅外測(cè)溫技術(shù)。而由于電纜芯線(xiàn)處于高電位，從安全考慮也無(wú)法通過(guò)電路接觸的方法直接測(cè)溫。而如果采用光纖測(cè)溫的方式，雖然解決了電氣隔離的問(wèn)題，但是在實(shí)際安裝上非常困難。因此，目前針對(duì)高壓電力電纜內(nèi)部芯線(xiàn)的溫度測(cè)量，還沒(méi)有任何一項(xiàng)可靠的測(cè)溫技術(shù)及設(shè)備，更無(wú)法根據(jù)溫度對(duì)相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行一些安全措施的部署，使得采用高壓電纜的電力設(shè)備仍存在著相當(dāng)?shù)陌踩[患。公開(kāi)號(hào)為CN102539005A的中國(guó)專(zhuān)利提出了一種非接觸式的溫度測(cè)量方法，其在將測(cè)量到的溫度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度信息時(shí)，微控制器利用A/D采樣得到的三個(gè)電壓幅值和電壓信號(hào)周期來(lái)計(jì)算溫度傳感器中熱敏電阻的阻值，然后得到對(duì)應(yīng)的溫度。但這種測(cè)量方法有一定局限性:首先在這種測(cè)量方法中，DSP利用自身A/D采樣單元對(duì)調(diào)理過(guò)得信號(hào)進(jìn)行采樣，但DSP自身的A/D采樣單元受制于DSP主頻，對(duì)高頻信號(hào)采樣時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)少，不容易采得需要的電壓幅值，對(duì)計(jì)算溫度值有一定影響；其次在測(cè)量溫度電壓信號(hào)周期時(shí)，由于該信號(hào)頻率較高，因此用DSP不容易直接測(cè)量到準(zhǔn)確的信號(hào)周期，這也必然影響計(jì)算溫度的精度和分辨率；另外由于該方法直接在時(shí)域中對(duì)采樣電壓信息直接做計(jì)算，采樣得到的電壓本身較小，容易受到噪聲以及寄生參數(shù)影響，使得采集得到的電壓受到干擾，也會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確度；最后該系統(tǒng)中的溫度傳感器使用到熱敏電阻，這不僅增加溫度傳感器的體積，而且為了能夠采樣到足夠的衰減電壓波形，電感體積也必須較大；這些因素都不利于將傳感器放置在對(duì)傳感器體積敏感的工作場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種非接觸式的溫度測(cè)量裝置及其測(cè)溫方法，能夠有效提高溫度測(cè)量的精度，減小裝置的體積?！N非接觸式的溫度測(cè)量裝置，包括:控制器；與控制器相連的驅(qū)動(dòng)電路，用于將控制器提供的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大后輸出；與驅(qū)動(dòng)電路相連的開(kāi)關(guān)電路，用于根據(jù)兩路放大后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出方波信號(hào)；與開(kāi)關(guān)電路相連的諧振電路，用于將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)；與諧振電路耦合的溫度傳感器，用于感應(yīng)待測(cè)物體的溫度，并將所述的交流電壓信號(hào)作為工作電壓，并產(chǎn)生與所述的溫度相對(duì)應(yīng)的溫度電壓信號(hào)傳送給諧振電路；與諧振電路相連的信號(hào)檢測(cè)電路，用于采集諧振電路接收到的溫度電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理整形，輸出檢測(cè)電壓信號(hào)；所述的控制器與信號(hào)檢測(cè)電路相連，控制器用于對(duì)所述的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，進(jìn)而根據(jù)檢測(cè)電壓信號(hào)分析計(jì)算出待測(cè)物體的溫度；所述的溫度傳感器采用串聯(lián)式諧振電路，串聯(lián)式諧振電路為由一諧振電容和一諧振電感串聯(lián)構(gòu)成的回路，串聯(lián)式諧振電路的諧振電阻為該回路中線(xiàn)路和電感的內(nèi)阻。所述的開(kāi)關(guān)電路由兩個(gè)MOS管Ql Q2和兩個(gè)二極管Dl D2構(gòu)成；其中，MOS管Ql的源極接第一電源電壓，柵極為開(kāi)關(guān)電路的第一輸入端并接收驅(qū)動(dòng)電路輸出的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，漏極與二極管Dl的陽(yáng)極相連；M0S管Q2的源極接地，柵極為開(kāi)關(guān)電路的第二輸入端并接收驅(qū)動(dòng)電路輸出的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，漏極與二極管D2的陰極相連；二極管Dl的陰極與二極管D2的陽(yáng)極相連構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路的輸出端并輸出方波信號(hào)。所述的信號(hào)檢測(cè)電路由四個(gè)電阻R3 R6、一個(gè)電容C3和一個(gè)運(yùn)算放大器U構(gòu)成；其中，電阻R3的一端為信號(hào)檢測(cè)電路的輸入端并采集諧振電路接收到的溫度電壓信號(hào)，電阻R3的另一端與電阻R4的一端和運(yùn)算放大器U的正相輸入端相連，電阻R4的另一端與電阻R5的一端相連并接地，電阻R5的另一端與運(yùn)算放大器U的反相輸入端、電阻R6的一端和電容C3的一端相連，運(yùn)算放大器U的正電源端接第二電源電壓，運(yùn)算放大器U的負(fù)電源端接第三電源電壓，運(yùn)算放大器U的輸出端與電阻R6的另一端和電容C3的另一端相連構(gòu)成信號(hào)檢測(cè)電路的輸出端并輸出檢測(cè)電壓信號(hào)。所述的控制器由一 MCU (微控制單兀)芯片和與MCU相連的一外置Α/D米樣芯片組成。所述的諧振電路采用串聯(lián)式諧振電路。上述溫度測(cè)量裝置的測(cè)溫方法，包括如下步驟:(I)利用控制器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路輸出方波信號(hào)，通過(guò)諧振電路將所述的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)，進(jìn)而將所述的交流電壓信號(hào)耦合至溫度傳感器，使溫度傳感器工作后控制器停止驅(qū)動(dòng)；(2)使溫度傳感器感應(yīng)待測(cè)物體的溫度，并產(chǎn)生與所述的溫度相對(duì)應(yīng)的溫度電壓信號(hào)，進(jìn)而將所述的溫度電壓信號(hào)耦合至諧振電路；利用信號(hào)檢測(cè)電路采集諧振電路接收到的溫度電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理整形后向控制器提供對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)；(3)使控制器根據(jù)所述的檢測(cè)電壓信號(hào)分析計(jì)算出待測(cè)物體的溫度。所述的步驟(3)中，控制器分析計(jì)算待測(cè)物體溫度的過(guò)程如下:a.對(duì)所述的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并截取其中N個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)Xc1-Xn+ N為大于I的自然數(shù)；b.對(duì)上述N個(gè)采樣點(diǎn)Xc1-Xim的電壓值進(jìn)行時(shí)域范圍內(nèi)的預(yù)處理，得到各采樣點(diǎn)的預(yù)處理電壓值；c.根據(jù)各采樣點(diǎn)的預(yù)處理電壓值通過(guò)離散傅里葉變換，計(jì)算出檢測(cè)電壓信號(hào)的離散傅里葉變換值Yl ;d.取采樣點(diǎn)Xtl之后的第m個(gè)采樣點(diǎn)Xm，以采樣點(diǎn)Xm為起始點(diǎn)從檢測(cè)電壓信號(hào)中截取N個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)Xm Xn+m，m為大于I的自然數(shù)；e.根據(jù)步驟b和C，對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)Xm X1^rl的電壓值依次進(jìn)行預(yù)處理及離散傅里葉變換，計(jì)算出檢測(cè)電壓信號(hào)的離散傅里葉變換值Y2 ；f.根據(jù)兩個(gè)離散傅里葉變換值Yl Y2，計(jì)算出當(dāng)前溫度傳感器的諧振電阻值，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)物體的溫度。所述的步驟b中，根據(jù)以下算式對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)Xc1-Xim的電壓值進(jìn)行時(shí)域范圍內(nèi)的預(yù)處理:F(Xi) =V(Xi) -V(Xm)其中=F(Xi)為采樣點(diǎn)Xi的預(yù)處理電壓值，V(Xi)為采樣點(diǎn)Xi的電壓值，V(Xm)為采樣點(diǎn)X1H的電壓值，I為自然數(shù)且O彡i彡N-1。所述的步驟c中，根據(jù)以下算式進(jìn)行離散傅里葉變換:
權(quán)利要求
1.一種非接觸式的溫度測(cè)量裝置，其特征在于，包括: 控制器； 與控制器相連的驅(qū)動(dòng)電路，用于將控制器提供的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大后輸出； 與驅(qū)動(dòng)電路相連的開(kāi)關(guān)電路，用于根據(jù)兩路放大后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出方波信號(hào)； 與開(kāi)關(guān)電路相連的諧振電路，用于將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)； 與諧振電路耦合的溫度傳感器，用于感應(yīng)待測(cè)物體的溫度，并將所述的交流電壓信號(hào)作為工作電壓，并產(chǎn)生與所述的溫度相對(duì)應(yīng)的溫度電壓信號(hào)傳送給諧振電路； 與諧振電路相連的信號(hào)檢測(cè)電路，用于采集諧振電路接收到的溫度電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理整形，輸出檢測(cè)電壓信號(hào)； 所述的控制器與信號(hào)檢測(cè)電路相連，控制器用于對(duì)所述的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，進(jìn)而根據(jù)檢測(cè)電壓信號(hào)分析計(jì)算出待測(cè)物體的溫度； 所述的溫度傳感器采用串聯(lián)式諧振電路，串聯(lián)式諧振電路為由一諧振電容和一諧振電感串聯(lián)構(gòu)成的回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度測(cè)量裝置，其特征在于:所述的控制器由一MCU和與MCU相連的一外置A/D米樣芯片組成。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的溫度測(cè)量裝置的測(cè)溫方法，包括如下步驟: (1)利用控制器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路輸出方波信號(hào)，通過(guò)諧振電路將所述的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)，進(jìn)而將所述的交流電壓信號(hào)耦合至溫度傳感器，使溫度傳感器工作后控制器停止驅(qū)動(dòng)； (2)使溫度傳感器感應(yīng)待測(cè)物體的溫度，并產(chǎn)生與所述的溫度相對(duì)應(yīng)的溫度電壓信號(hào)，進(jìn)而將所述的溫度電壓信號(hào)耦合至諧振電路；利用信號(hào)檢測(cè)電路采集諧振電路接收到的溫度電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理整形后向控制器提供對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)； (3)使控制器根據(jù)所述的檢測(cè)電壓信號(hào)分析計(jì)算出待測(cè)物體的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的步驟(3)中，控制器分析計(jì)算待測(cè)物體溫度的過(guò)程如下: a.對(duì)所述的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并截取其中N個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)Xtl XN_1;N為大于I的自然數(shù)； b.對(duì)上述N個(gè)采樣點(diǎn)Xc1-Xim的電壓值進(jìn)行時(shí)域范圍內(nèi)的預(yù)處理，得到各采樣點(diǎn)的預(yù)處理電壓值； c.根據(jù)各采樣點(diǎn)的預(yù)處理電壓值通過(guò)離散傅里葉變換，計(jì)算出檢測(cè)電壓信號(hào)的離散傅里葉變換值Yl ； d.取采樣點(diǎn)Xtl之后的第m個(gè)采樣點(diǎn)Xm，以采樣點(diǎn)Xm為起始點(diǎn)從檢測(cè)電壓信號(hào)中截取N個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)Xm m為大于I的自然數(shù)； e.根據(jù)步驟b和C，對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)Xm Χ,+μ的電壓值依次進(jìn)行預(yù)處理及離散傅里葉變換，計(jì)算出檢測(cè)電壓信號(hào)的離散傅里葉變換值Υ2 ； f.根據(jù)兩個(gè)離散傅里葉變換值Yl Y2，計(jì)算出當(dāng)前溫度傳感器的諧振電阻值，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)物體的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的步驟b中，根據(jù)以下算式對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)\ Xim的電壓值進(jìn)行時(shí)域范圍內(nèi)的預(yù)處理:F(Xi) = V(Xi).V(Xm) 其中=F(Xi)為采樣點(diǎn)Xi的預(yù)處理電壓值，V(Xi)為采樣點(diǎn)Xi的電壓值，V(Xm)為采樣點(diǎn)Xim的電壓值，i為自然數(shù)且O彡i彡N-1。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的步驟c中，根據(jù)以下算式進(jìn)行離散傅里葉變換:
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的步驟e中，首先，根據(jù)以下算式對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)Xm Χ,+μ的電壓值進(jìn)行時(shí)域范圍內(nèi)的預(yù)處理:F(Xi+m) = V (XiJ.V(Xn^1) 其中:F(Xi+m)為采樣點(diǎn)Xi+m的預(yù)處理電壓值，V (XiJ為采樣點(diǎn)Xi+m的電壓值，V(XN+mJ為采樣點(diǎn)ΧΝ+η^的電壓值，i為自然數(shù)且OSiSN-1; 然后，根據(jù)以下算式進(jìn)行離散傅里葉變換:
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的步驟f中，根據(jù)以下算式計(jì)算當(dāng)前溫度傳感器的諧振電阻值:
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的步驟f中，根據(jù)以下算式計(jì)算待測(cè)物體的溫度:R = R0(l+a (t-t0)) 其中:R為當(dāng)前溫度傳感器的諧振電阻值，t為待測(cè)物體的溫度，Rtl為待測(cè)物體溫度為tQ時(shí)溫度傳感器的諧振電阻值，α為溫度系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的測(cè)溫方法，其特征在于:所述的計(jì)算參數(shù)k根據(jù)公式k=2*R0UND ( Ω / Ω ^求得，Ω 1=2 Ji f/fs, fs為檢測(cè)電壓信號(hào)的采樣頻率，f為檢測(cè)電壓信號(hào)的信號(hào)頻率，ROUND為四舍五入函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種非接觸式的溫度測(cè)量裝置，包括控制器、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路、諧振電路、溫度傳感器和信號(hào)檢測(cè)電路。其中溫度傳感器的諧振電阻為電感及線(xiàn)路內(nèi)阻，此電阻相對(duì)較小，因此在諧振時(shí)溫度電壓信號(hào)的衰減率比較低，可以產(chǎn)生較多個(gè)周期的衰減的正弦溫度電壓信號(hào)，同時(shí)也相應(yīng)減小了裝置的體積。本發(fā)明還公開(kāi)了上述溫度測(cè)量裝置的測(cè)溫方法，其基于離散傅里葉變換無(wú)需求解采樣信號(hào)的微分方程，便于計(jì)算機(jī)分析計(jì)算；其次頻域分析中，可將有效信號(hào)頻率和無(wú)用干擾信號(hào)頻率分離，在物理意義上也更為直觀，這樣可以盡可能的減少信號(hào)干擾，便于作進(jìn)一步的分析處理。
文檔編號(hào)G01K7/18GK103207031SQ201310088568
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者吳建德, 趙崇文, 何湘寧, 黃強(qiáng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)