本發(fā)明涉及溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力測(cè)試，具體為一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、溫度是反映物體的冷熱程度及形態(tài)的一種基本物理參數(shù)，與人類社會(huì)的生產(chǎn)生活關(guān)系密切。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)溫度測(cè)量和控制的精度要求與響應(yīng)速度要求越來越高。溫度傳感器的熱滯后是指當(dāng)檢測(cè)的溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出要經(jīng)過一定時(shí)間才能準(zhǔn)確輸出變化后的數(shù)值。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯臏囟葘?shí)測(cè)值隨被測(cè)環(huán)境溫度變化而變化的能力，也反映了溫度監(jiān)測(cè)中響應(yīng)的滯后程度。一般用時(shí)間常數(shù)來表征溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，即當(dāng)溫度傳感器接收階躍信號(hào)輸入時(shí)，其輸出信號(hào)達(dá)到階躍值63.2％所需的時(shí)間周期。時(shí)間常數(shù)越小，表示溫度傳感器的動(dòng)態(tài)性能越好，響應(yīng)速度越快。

2、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種隨著溫度的升高電阻值指數(shù)降低的溫度傳感器，具有精度高、響應(yīng)時(shí)間快、成本低等特點(diǎn)，在航空航天、海洋環(huán)境和民用電器等方面都有廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量校準(zhǔn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，但針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的諸多不同情況進(jìn)行具體分析比較困難，實(shí)際測(cè)試過程中通常依靠檢測(cè)人員手動(dòng)操作，整體操作較為繁瑣，給熱時(shí)間常數(shù)測(cè)試帶來了流程操作、主觀判斷等較大的誤差，測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性較差。很多計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)缺乏一種數(shù)據(jù)客觀有效、重復(fù)性好、誤差較小的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出了一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括：溫度環(huán)境單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、數(shù)據(jù)采集處理單元、和部署在上位機(jī)上的數(shù)據(jù)處理單元；其中，

3、所述溫度環(huán)境單元，用于分別提供不同環(huán)境溫度的溫度環(huán)境a區(qū)和b區(qū)；

4、所述運(yùn)動(dòng)控制單元，用于精確控制搭載的待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻從溫度環(huán)境a區(qū)運(yùn)動(dòng)至b區(qū)；

5、所述數(shù)據(jù)采集單元，用于實(shí)時(shí)測(cè)量待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻值并傳輸至上位機(jī)；

6、所述數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)預(yù)先建立的電阻值r-溫度值t方程，針對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的電阻值確定對(duì)應(yīng)的溫度值，結(jié)合溫度環(huán)境a區(qū)和b區(qū)的溫度值，得到熱時(shí)間常數(shù)。

7、優(yōu)選的，所述溫度環(huán)境a區(qū)為恒溫的室內(nèi)環(huán)境，所述運(yùn)動(dòng)控制單元部署在溫度環(huán)境a區(qū)；所述b區(qū)為恒溫箱，能設(shè)置不同恒定溫度，箱體內(nèi)部大小為待測(cè)熱敏電阻體積的1000倍以上，溫度均勻度為±1℃以內(nèi)。

8、優(yōu)選的，所述運(yùn)動(dòng)控制單元包括：運(yùn)動(dòng)控制器、直線滑臺(tái)和固定桿，其中，

9、所述待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻安裝在固定桿前端，固定桿連接直線滑臺(tái)，通過運(yùn)動(dòng)控制器精確控制直線滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向、速度和距離，帶動(dòng)固定桿運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻從溫度環(huán)境a區(qū)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入溫度環(huán)境b區(qū)，其中所述直線滑臺(tái)為電動(dòng)直線滑臺(tái)。

10、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)字萬用表，用于在設(shè)定的電阻值測(cè)量范圍下，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)量電阻值。

11、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理單元包括：

12、電阻值-溫度值轉(zhuǎn)換模塊，用于根據(jù)預(yù)先進(jìn)行的待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻溫測(cè)試，通過線性擬合的方法確定電阻值r-溫度值t方程的相關(guān)參數(shù)，建立該方程；

13、熱時(shí)間常數(shù)計(jì)算模塊，用于將溫度環(huán)境a區(qū)的溫度作為起始溫度t0，溫度環(huán)境b區(qū)的溫度作為終止溫度t∞，得到63.2％階躍溫度值tτ，根據(jù)63.2％階躍溫度值tτ的對(duì)應(yīng)時(shí)刻t和階躍起始時(shí)刻t0，得到熱時(shí)間常數(shù)τ；

14、顯示模塊，用于顯示測(cè)量計(jì)算結(jié)果。

15、優(yōu)選的，所述電阻值r-溫度值t方程為：

16、

17、根據(jù)一組電阻值r和溫度值t，通過線性擬合，確定參數(shù)a和b。

18、優(yōu)選的，所述熱時(shí)間常數(shù)計(jì)算模塊的處理過程包括：

19、步驟s1)將溫度環(huán)境a區(qū)的溫度作為起始溫度t0，溫度環(huán)境b區(qū)的溫度作為終止溫度t∞，得到理論63.2％階躍溫度值tτ；

20、步驟s2)根據(jù)電阻值r-溫度值t方程，將收到的不同采樣時(shí)刻t的電阻值rt轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值tt，并取縱軸為溫度值，橫軸為采樣時(shí)刻，繪制動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線；

21、步驟s3)將不同的溫度值tt分別與tτ做差運(yùn)算，取所有差值中的最小差值對(duì)應(yīng)的溫度值tt作為實(shí)際63.2％階躍溫度值tτ，將不同的溫度值tt分別與t0做差運(yùn)算，取差值大于溫度環(huán)境b區(qū)的標(biāo)定溫度誤差tx的第一個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻t為階躍起始時(shí)刻t0，計(jì)算得到熱時(shí)間常數(shù)τ。

22、優(yōu)選的，所述步驟s1)中理論63.2％階躍溫度值tτ滿足下式：

23、tτ＝t0+0.632(t∞-t0)。

24、優(yōu)選的，所述步驟s3)中熱時(shí)間常數(shù)τ為實(shí)際63.2％階躍溫度值tτ與階躍起始時(shí)刻t0的差值。

25、另一方面，本發(fā)明還提出了一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量方法，基于上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述方法包括：

26、設(shè)置溫度環(huán)境a區(qū)和b區(qū)處于各自設(shè)定的溫度并保持穩(wěn)定；

27、將待測(cè)熱敏電阻安裝在運(yùn)動(dòng)控制單元；

28、設(shè)置采集電阻值的范圍、采集時(shí)間間隔和采集數(shù)據(jù)總數(shù)后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集單元；

29、當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元采集的電阻值穩(wěn)定時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制單元將搭載的待測(cè)熱敏電阻從溫度環(huán)境a區(qū)運(yùn)動(dòng)至b區(qū)，數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)設(shè)定的采集時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)量電阻值，并上傳至數(shù)據(jù)處理單元；

30、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)預(yù)先建立的電阻值r-溫度值t方程，針對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的電阻值確定對(duì)應(yīng)的溫度值，結(jié)合溫度環(huán)境a區(qū)和b區(qū)的溫度值，得到熱時(shí)間常數(shù)。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

32、在本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案中，運(yùn)動(dòng)控制單元能精確控制待測(cè)熱敏電阻運(yùn)動(dòng)的速度和距離；數(shù)據(jù)采集處理單元中的數(shù)字萬用表能快速且精確地測(cè)量電阻值，并將這些數(shù)據(jù)保存并傳輸至上位機(jī)；數(shù)據(jù)處理單元中的上位機(jī)搭載了可視化獨(dú)立軟件，該軟件功能包括電阻值-溫度值轉(zhuǎn)換、測(cè)量過程的各項(xiàng)參數(shù)顯示(起始溫度、終止溫度、63.2％階躍溫度值、階躍起始時(shí)刻、63.2％階躍溫度值對(duì)應(yīng)時(shí)刻)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的溫度-時(shí)間曲線圖繪制、熱時(shí)間常數(shù)計(jì)算、結(jié)果保存。該可視化獨(dú)立軟件為自主開發(fā)，能搭配不同溫度階躍測(cè)試系統(tǒng)、根據(jù)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)熱計(jì)算時(shí)間常數(shù)，其集成化設(shè)計(jì)便于移植到不同上位機(jī)及系統(tǒng)中。

33、利用多種型號(hào)的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行實(shí)例測(cè)試，該測(cè)量系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)經(jīng)過重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的誤差均在±3％以內(nèi)。本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)及方法實(shí)現(xiàn)了較好的重復(fù)性和較小的測(cè)量誤差，有效簡化了傳統(tǒng)測(cè)量流程中的復(fù)雜操作與數(shù)據(jù)處理步驟，使整個(gè)測(cè)試過程更加精確、高效且易于執(zhí)行。

技術(shù)特征：

1.一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：溫度環(huán)境單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、和部署在上位機(jī)上的數(shù)據(jù)處理單元；其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度環(huán)境a區(qū)為恒溫的室內(nèi)環(huán)境，所述運(yùn)動(dòng)控制單元部署在溫度環(huán)境a區(qū)；所述b區(qū)為恒溫箱，能設(shè)置不同恒定溫度，箱體內(nèi)部大小為待測(cè)熱敏電阻體積的1000倍以上，溫度均勻度為±1℃以內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)控制單元包括：運(yùn)動(dòng)控制器、直線滑臺(tái)和固定桿，其中，

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)字萬用表，用于在設(shè)定的電阻值測(cè)量范圍下，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)量電阻值。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述電阻值r-溫度值t方程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述熱時(shí)間常數(shù)計(jì)算模塊的處理過程包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟s1)中理論63.2％階躍溫度值tτ滿足下式：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟s3)中熱時(shí)間常數(shù)τ為實(shí)際63.2％階躍溫度值tτ與階躍起始時(shí)刻t0的差值。

10.一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量方法，基于權(quán)利要求1-9之一所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱時(shí)間常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括：溫度環(huán)境單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、和部署在上位機(jī)上的數(shù)據(jù)處理單元；溫度環(huán)境單元，用于分別提供不同環(huán)境溫度的溫度環(huán)境A區(qū)和B區(qū)；運(yùn)動(dòng)控制單元，用于精確控制搭載的待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻從溫度環(huán)境A區(qū)運(yùn)動(dòng)至B區(qū)；數(shù)據(jù)采集單元，用于實(shí)時(shí)測(cè)量待測(cè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻值并傳輸至上位機(jī)；數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)預(yù)先建立的電阻值R?溫度值T方程，針對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的電阻值確定對(duì)應(yīng)的溫度值，結(jié)合溫度環(huán)境A區(qū)和B區(qū)的溫度值，得到熱時(shí)間常數(shù)。本發(fā)明具有較好的測(cè)量重復(fù)性、較小的測(cè)量誤差和簡便的操作過程，顯著提升了測(cè)試結(jié)果可靠性和測(cè)試效率。

技術(shù)研發(fā)人員：姚金城,曹詩雨,王軍華,孔凡林,常愛民
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30