・算法分析・ 一种降低温漂的补偿算法及在热分析技术中的应用 王 青 （天津电子信息职业技术学院摘天津 ３００１３２） 要：针对测量设备中存在的温漂问题，本文提出了一种软件补偿算法，来降低温漂。文中详细介绍了补偿算法的原理。此算法已在实践 中得到证明。能够较好地解决测温设备中的温漂问题。 关键词：温度测量 温度漂移 补偿 Ａ／Ｄ转换 热分析仪 中图分类号：ＴＰ３ ６８．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００７—９４１ ６（２０１ ０）１ ２—００９１一。 、 １概述 热分析技术是在程序温度（指等速升 温、等速降温、恒温或步级升温等）控制下测 量物质的物理性质随温度变化，用于研究物 质在某一特定温度时所发生的热学、力学、 声学、光学、电学、磁学等物理参数的变化。 由此进一步研究物质的结构和性能之间的 关系，研究反应规律，制订工艺条件等。 目前，应用热分析技术的热分析仪已经 很普遍。并渗透到物理、化学、化工、石油、冶 金、地质、建材、纤维、塑料、橡胶、有机、无 机、低分子、高分子、食品、地球化学、生物化 学等各个领域。由于热分析的基础是温度测 量，所以，温度采集的精确度和稳定性决定 了热分析仪系统测量结果的准确性。热分析 仪一般应用在工业场合中，周围环境变化比 较大，对温度采集系统的影响比较明显，特 别是环境温度的变化，对温度采集系统的影 分析温度转换的变送过程，可以确定输 出的温度值与三个因素有关： （１）输入电压，温度传感器输出的毫伏信 号。 响有时候能达到ｌ℃～２＂Ｃ。这就是我们通常 说的温度漂移或称温漂。 温漂指的是对于相同的输入，当温度转 换模板所处的环境温度变化时，转换模板转 换的温度值有差异。温漂产生的主要原因是 温度转换模板上的电子元器件存在温度系 数，随着温度的变化，这些电子元器件的性 能也发生了变化，导致测量结果产生误差。 对于测温设备，温漂问题是无法避免的。为 此，我们设计了一种高精度低温漂的温度采 集系统 （２）冷端补偿，冷端补偿采用专用芯片测 量环境温度，它对环境温度的测量只存在最 大不超过０．５℃的偏差，因此也不是温度转 换板产生温漂的原因。 （３）Ａ／Ｄ转换，这样温漂就集中在Ａ／Ｄ转 换中，通常的Ａ／Ｄ转换如图１构成。 现在Ａ／Ｄ转换芯片大多采用高精度集 成电路。其温度系数相当好。但是这些芯片 的高精度参数都建立在一个基础上，就是参 考电压的稳定。如果参考电压随温度变化而 变化，就会造成Ａ／Ｄ转换的结果随温度变 化，就是所说的温漂。ＬＭ２３６ ２．５Ｖ为一集 成电路精密２．５Ｖ并联稳压器。但是其本身 存在温度系数，当环境温度不同时，温度基 板的输出会有偏差。 ２．２实验证明 我们选取５块温度转换板放入可调恒温 箱中，将每块温度转换板上的ＬＭ２３６—２．５Ｖ 的输出端引出，测量ＬＭ２３６ ２．５Ｖ的输出电 压随环境温度的变化情况，实验结果如表１ 所示： 通过实验可以看出，随着环境温度的升 高，ＬＭ２３６ ２．５Ｖ输出的参考电压是下降， 所以，当输入不变时，模数转换后的结果会 增大，与实际应用中的现象一致。 ３，１一般标定过程 在参考电压恒定不变的情况下，温度基 板模数转换的结果与实际值是呈线性关系 的，因此在标定过程中可以用以下这个线性 函数来修正： Ｙ＝ａＸ＋ｂ Ｙ为修正后的结果 ｘ为Ａ／Ｄ转换芯片的转换结果 ａ、ｂ为常数 由上述实验结果可以看出ＬＭ２３６—２．５ Ｖ输出的参考电压与环境温度近似线性关 系。 定义：Ｔ．、Ｔ 为两个不同的环境温度。 Ｓ．、Ｓ，分别为两个环境温度下ＬＭ２３６ ２． ５Ｖ的输出电压。 Ｖ．、Ｖ 为两个已知的不同的输入电压， （将要被转换的模拟输入电压）。 Ｐ…Ｐ为对应于Ｖ 、Ｖ，的标准转换结果。 Ｃ 、Ｃ 为Ｔ 温度下对应于输入电压Ｖ Ｖ 的转换结果，Ｃ２Ｔ２为Ｔ 温度下对应于输 入电压Ｖ，的转换结果。 在Ｔ。的环境温度下，温度基板对输入电 、压Ｖ．的转换结果为： ｃ¨ｆ（ 。）×上 （１） 其中，Ｌ为模数转换系数。 同样，在Ｔ．的环境温度下，温度基板对 输入电压Ｖ，的转换结果为： Ｃ２ＴＩ＝（ １）ｘＬ （２） 已知输入电压与标准转换结果呈线性 关系，即： Ｐｌ＝ｋＣ１，１＋ｂ Ｐ２：ｋＣ２，．＋６ （３） （４） ２温漂原因分析 ２．１原理分析 ３补偿 从实验中可以看出，每个芯片输出电压 随温度的升高而下降的幅度并不一致，不能 通过一个固定的补偿量来抵消参考电压的 变化带来的温漂，因此，我们提出一种实用 效果较好的补偿算法，在温度转换模板标定 的过程中，由温度模板根据环境温度的变化 幅度自动修正参考电压的变化引入的误差。 补偿算法基本原理：在测量数据的预处 理技术中，通常采用数字调零、系统校准这 两种方法来校准系统产生的误差。基本原理 都是人工接人标准参数进行校准测量，而把 测得的数据（或者是折合成一个补偿的系 数）储存起来，（这过程也称之为定标）在实际 测量中只要在实测的数据上加上这个补偿 系数的修正，就可以的到比较精确的测量值 温度转换模板在实际工作中呈现：在输 入电压不变的情况下，转换模板环境温度发 生变化时，输出的温度值出现偏差，并呈现 定的规律。环境温度升高时测温也升高， 环境温度下降时测温也下降，即温度转换模 板存在正温漂。 一由于Ｐ。Ｐ 、Ｃ…、Ｃ 已知，通过（３）（４）可 以求出ａ和ｂ，即建立起输人与输出的关系 式。 Ｙ＝ａＸ Ｊ－ｂ 出 ３ ２带温度补偿的标定 在Ｔ２的环境温度下，温度基板对输入电 压Ｖ２的转换结果为： Ｃ２，ｔ．２＝（ ：）ｘＬ （５） 令ｗ为ＬＭ２３６—２．５Ｖ的温度系数，温度 每升高１℃时，输出电压的变化量。 根据ＬＭ２３６－２．５Ｖ输出的参考电压与 环境温度的近似线性关系可以得出两个环 境温度下输出的参考电压的关系，即： 表１表中数字单位为（Ｖ） 编号 ｌ ｆｌ ２ 温度１（２９￣Ｃ） ２．４８７ ２．４８９ 温度２（４９℃） ２．４８４ ２．４８６ 温度３（５４￣Ｃ） ２．４８３ ２．４８５ Ｓ 一Ｓｌｎ＋（ ｚ一 ｔ）ｗ］ ＝１＋（Ｔ２一Ｔ１）ｗ 将（２）和（５）式做除法可以得出： ｃ。 ／Ｃ２ｒ２： ７’／Ｓ（６） ｆ７）／， ３ ４ ２．５０２ ２．４８２ ２．５ｏ２ ２．４７８ ２．５０ｌ ２．４７７ 一 ｉ 将（６）代入（７）式可以得出： ５ ２．４７２ ２．４６７ ２．４６７ Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 数字技术与应用 ９１ ・算法分析・ 及ＬＭ２３６ ２．５Ｖ的温度系数ｗ。 境温度变化６０度时，温漂在０．５度以内，能够 ［２】万福君．单片微机原理系统设计与应用： 可以得出这样的结果： 满足工业测量要求。 中国科技大学出版社，２００５． 在环境温度Ｔ的状态下，ＬＭ２３６ ２．５Ｖ ［３】谭浩强．Ｃ语言程序设计：清华大学出版 输出的参考电压为Ｓ，对于输入电压Ｖ，温度 ４结语 社，２００５． 基板转换结果ＰＯ应该为： ４】Ｅｒｎｅｓｔ ０．Ｄｏｅｂｌｉｎ，王伯雄翻译．测量系 如前所述，当今热分析仪已经很普遍。 【Ｐｏ：ａＸＣｒ＋ｂ 统应用与设计：电子工业出版社，２００７． 由于热分析的基础是温度测量，所以温度采 为标定温度、ｗ为补偿系数、ａ，ｂ为常数。（１ ［１】沈建华．ＭＳｐ４３０系列１６位超低功耗单片 （８） Ｔ ２）式即为我们得出的温漂补偿算法公式。在 机实践与系统设计：清华大学出版社，２０ 通过上述运算可以算出线性系数ａ、ｂ以 ０５． 实际中应用此补偿算法，输入不变时，当环 ｗ＝ ＿Ｌ Ｔ１）ｃ２ｒ２ 由于此时的参考电压Ｓ与Ｔ１状态下的参 考电压不同，所以，ＰＯ并不等同于标准转换 集的精确度和稳定性决定了热分析仪系统 结果Ｐ，如果将参考电压修正到Ｔｌ环境温度 测量的准确性。而温度漂移是造成测量不准 下的参考电压Ｓ１，则得出的结果应该就等同 确的主要原因之一。采用以上的补偿算法可 于标准结果Ｐ了，即： 在环境温度变化６Ｏ度时，温漂在０．５度以内， Ｐ＝￣（Ｖ／ＳＯＬ＋ｂ （９） 这样就能够满足工业测量的要求。随着单片 Ｃｒ＝ｆｖ／ｓ）Ｌ（１０） 机和Ａ／Ｄ转换芯片的不断发展，温度测量的 其中ＣＴ为当前环境温度下的转换值。 精度在不断的提升。但是无论何时温度漂移 Ｓ＝ ・［１＋（ —ＴＯｗ］ （１１） 都是不可避免的。这种温度漂移是电子线路 由（９）（１０）（１１）可以得出： 本身的结构造成的。因此这种补偿算法必将 尸＝｛Ｃ ［１＋（ｒ一 ）ｗ］｝ｄ＋ｂ （１２） 在温度测量上有充分的应用场所。 其中：Ｐ为标准转换结果、Ｔ为实际温度、 参考文献 ９２ 数字技术与应用Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
