CN110530547A - 一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微k量级温度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置涉及高精度信号测量领域，该装置包括：惠斯通桥路、锁相放大模块和模数转换模块；所述惠斯通桥路惠斯通电桥包括三个参考电阻、一个测温电阻和两个射随器；第一射随器的一端与所述测温电阻的一端连接，另一端与所述锁相放大采集模块连接；第二射随器的一端与所述测温电阻的另一端连接，另一端与相邻参考电路的一端连接，所述相邻参考电阻的另一端与所述锁相放大采集模块连接，所述锁相放大采集模块与模数转换模块相连。本发明将惠斯通电桥和锁相放大器相结合，实现10^‑6量级温度采集。同时在测温电阻两端引入射随器，锁相放大器频率选择在5kHz至15kHz之间，避免其他电阻和寄生电容对测量精度的影响。

Description

一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置

技术领域

本发明涉及高精度信号测量技术领域，具体涉及一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置。

背景技术

在引力实验、重力测量和地球固体潮汐检测等领域，由于所要探测的信号极其微弱以及对实验结果精度有相当高的要求，必须设法克服各种外界干扰因素的影响。温度变化是其中的重要影响因素之一。为保证恒温环境，需要高精度的温度传感器才能实现高精度的温度控制。

目前温度的测量通常使用热敏电阻，通过电阻值的变化反应温度的变化，最常用的是PT1000铂电阻。高精度的温度测量实际是对电阻微弱变化的测量，电阻测量的基本原理是给予一个激励电流源，根据该二端子元件两端点得到的电压衡量该电阻对于电流阻碍作用的大小。基于此原理常用的测量方法是伏安法和惠斯通电桥法。惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，测量时将被测量与已知量进行比较而得到测量结果，通常三个阻值是已知的，便可求得第四个电阻。

电桥输出电压的变化最终都需要进行采集然后处理，数据的采集精度也将影响最终的使用的精度，影响采集精度的因素主要有电路器件带来的电压噪声、电流噪声、周围环境带来的电磁干扰、电源波动、数字采集的量化噪声等，这些都会影响电桥输出电压的采集精度。为测量毫欧甚至微欧量级的电阻变化，在桥路两端产生的信号十分微弱，容易被噪声干扰，仅进行信号放大不能将噪声和干扰消除，而采用锁相放大器以相干检测技术为基础，利用参考信号和载波信号频率相同，与噪声不相关的特点，从噪声中提取有用信号，可以有效克服外界干扰获得比较稳定的输出电压，是一种有效的微弱信号检测方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，解决了低频段微弱信号易受传输导线电阻、周围环境电磁干扰、电路芯片噪声和寄生电容等影响的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，该装置包括：惠斯通桥路、锁相放大模块和模数转换模块；所述惠斯通桥路惠斯通电桥包括三个参考电阻、一个测温电阻和两个射随器；第一射随器的一端与所述测温电阻的一端连接，另一端与所述锁相放大采集模块连接；第二射随器的一端与所述测温电阻的另一端连接，另一端与相邻参考电路的一端连接，所述相邻参考电阻的另一端与所述锁相放大采集模块连接；所述锁相放大采集模块包括前置放大器、主放大器、带通滤波、解调器、低通滤波器、触发器、移相器和正弦波；所述前置放大器、主放大器、带通滤波、解调器和低通滤波器依次连接，最后进入模数转换模块；所述触发器、移相器和正弦波依次连接；所述正弦波与所述解调器连接。

优选的，所述模数转换模块的位数为24位。。

优选的，所述带通滤波器的频率范围为5kHZ-15kHZ。

优选的，提出在电路中使用标准电阻代替测温电阻进行电路零点和增益标定的方法，补偿电路的偏置误差。

优选的，所述射随器由高输入阻抗低输出阻抗运算放大器OP07构成，运算放大器的输出与运算放大器反相端互联，运算放大器输入为运算放大器同相端，运算放大器输出为运算放大器输出端。本发明的有益效果是：本发明将惠斯通电桥和锁相放大器相结合，实现10^-6量级温度采集。同时优化惠斯通电桥的设计和频率选择，在测温电阻两端引入射随器，锁相放大器频率选择在5kHz至15kHz之间，避免导线电阻、接触电阻和寄生电容对测量精度的影响。采用开关式环形振荡器来代替传统环形振荡器，在电路工作时环形振荡器受到脉冲信号的控制，只在需要运行时工作，这样的设计可以大幅度的减小额外的功耗。直接通过计数器计算脉冲信号时的环形振荡器的上升沿个数，将该数据通过寄存器存储输出，既可以获得现对应的数字信号。

附图说明

图1本发明一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置结构示意图。

图2本发明一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置在1mHz至5Hz频段温度测量分辨率功率谱曲线。

图3本发明一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置实测1000秒时域数据。具体实施方式

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

为了实现10^-6量级温度采集，本专利将惠斯通电桥和锁相放大器相结合，同时优化惠斯通电桥的设计和频率选择，避免导线电阻、接触电阻和寄生电容对测量精度的影响。图1是测量装置原理结构图。

如图1所示，一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，该装置包括：惠斯通桥路和锁相放大采集模块；所述惠斯通桥路惠斯通电桥包括三个参考电阻R1、R2和R3、一个测温电阻R_T、两个射随器U₁和 U₂；所述R1、R2、R3和R_T顺时针排列。第一射随器U₁的一端与所述测温电阻R_T的一端连接，另一端与所述锁相放大采集模块连接；第二射随器U₂的一端与所述测温电阻R_T的另一端连接，另一端与相邻参考电路R3的一端连接，所述相邻参考电阻R3的另一端与所述锁相放大采集模块连接；所述锁相放大采集模块包括前置放大器、主放大器、带通滤波、解调器、低通滤波器、数模转换器、触发器、移相器和正弦波；所述前置放大器、主放大器、带通滤波、解调器、低通滤波器和数模转换器依次连接；所述触发器、移相器和正弦波依次连接；所述正弦波与所述解调器连接。

在本实施例中，参考电阻R1、R2和R3大小与测温电阻R_T相同，在电路使用前先使用标准电阻代替测温电阻R_T对电路零点进行标定，补偿电路的偏置误差。U₁和U₂保证R_T至锁相放大采集模块两端具有高输入阻抗，避免导线电阻对测温电阻R_T变化的影响。惠斯通电桥的输出以差分方式进入前置放大器进行预防大，预防大的目的是将惠斯通电桥两端电压求差消除共模误差，得到一路电压信号进入主放大器进行主放大，主放大器输出进入带通滤波器滤除载波信号频率以外的噪声，带通滤波器输出和参考源经触发器、移相器和正弦波调相后进入乘法解调器中，得到直流和二倍频信号进入低通滤波器，最后低通滤波器输出的直流分量经模数转换器采集得到待测电压信号。上述放大器均需要选择低噪声芯片，降低芯片电压噪声、电流噪声对信号的影响，模数转换芯片尽量选择位数多的芯片以降低量化噪声(24位目前最高)，模数转换后的信号经数字低通滤波器算法进一步处理以降低信号噪声，一般选用平均和FIR算法。在该装置中，信号的频率应选择尽量在低频，以避免电路中寄生电容对测量精度的影响，但频率太低锁相放大器的带通滤波器在低频段衰减不足，不利于噪声滤除，综合考虑信号频率选择在5kHz至 15kHz之间。

图2为本发明温度测量装置在1mHz至5Hz频段温度测量分辨率功率谱曲线。其中横坐标为频率，单位Hz；纵坐标为温度，单位K/Hz^1/2；该曲线反映在各频率下本发明装置对温度测量的分辨率，可实现3.9uK@1Hz。

图3本发明温度测量装置在实测1000秒时域数据。横坐标为时间，单位秒；纵坐标为模数转换器采集的电压值，单位V；100Hz为原始采样频率下的数据，10Hz为经过低通滤波后的降采样数据，用于分析1mHz至5Hz频段温度分辨率的功率谱。

Claims (5)

1.一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，其特征在于，该装置包括：惠斯通桥路、锁相放大模块和模数转换模块；所述惠斯通桥路惠斯通电桥包括三个参考电阻、一个测温电阻和两个射随器；第一射随器的一端与所述测温电阻的一端连接，另一端与所述锁相放大采集模块连接；第二射随器的一端与所述测温电阻的另一端连接，另一端与相邻参考电路的一端连接，所述相邻参考电阻的另一端与所述锁相放大采集模块连接；所述锁相放大采集模块包括前置放大器、主放大器、带通滤波、解调器、低通滤波器、触发器、移相器和正弦波；所述前置放大器、主放大器、带通滤波、解调器和低通滤波器依次连接，最后进入模数转换模块；所述触发器、移相器和正弦波依次连接；所述正弦波与所述解调器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，其特征在于，所述模数转换模块的位数为24位。

3.根据权利要求1所述的一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，其特征在于，所述带通滤波器的频率范围为5kHZ-15kHZ。

4.根据权利要求1所述的一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，其特征在于，提出在电路中使用标准电阻代替测温电阻进行电路零点和增益标定的方法，补偿电路的偏置误差。

5.根据权利要求1所述的一种基于惠斯通电桥和锁相放大器的微K量级温度测量装置，其特征在于，所述射随器由高输入阻抗低输出阻抗运算放大器OP07构成，运算放大器的输出与运算放大器反相端互联，运算放大器的同相端作为射随器的输入，运算放大器的输出端作为射随器的输出。