熱電堆自動測溫系統(tǒng)前端溫度校準方法探究

戚勵文，任育峰，何 吉，戈亦余

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫）

引言

紅外測溫系統(tǒng)屬于非接觸式測溫，響應時間短、測量范圍廣、不會對溫度場分布造成影響，通常用于人體溫度測量[1]。隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術快速發(fā)展，基于MEMS 芯片的熱電堆紅外傳感器在更多領域如電力、智能家居、交通、機械、化工等領域得到廣泛應用[2]。

王楷群等從5 個方面表述了對熱電堆紅外探測器性能的影響[3]。趙斌等使用神經(jīng)網(wǎng)絡算法完成17.4 ℃室溫下測量距離影響因素的溫度補償[4]。隋修寶等分析了內(nèi)部環(huán)境溫度在-10 ℃～40 ℃的緩慢漂移以及振蕩使關鍵偏置電壓產(chǎn)生毫伏級漂移特性[5]。王志國等也通過自研的紅外熱像儀為硬件進行測溫定標實驗，對目標發(fā)射率和大氣透過率等影響因素對測溫定標的影響進行了分析[6]。本研究主要研究期間工作的環(huán)境溫度在10～80 ℃之間較快變化條件下，傳感器模塊測量在30～120℃基準溫度的校準方法。

1 原理與設計

熱電堆傳感器基本工作原理是塞貝克效應，特定材料吸收物體紅外輻射，由于不同材料的塞貝克系數(shù)不同，通過材料冷熱端產(chǎn)生的電勢差可以計算得到對應溫度值。紅外測溫容易受到被測物體表面發(fā)射率、吸收率、大氣透射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、測量距離等因素的影響；另外還有器件自身的因素，如內(nèi)部結構、性能老化，傳感器內(nèi)部器件轉移效率不一致，掩膜誤差缺陷、信號電荷放大運輸不一致,傳感器內(nèi)部元器件對環(huán)境變化敏感度不同，都會存在溫漂現(xiàn)象。為了確保傳感器在各類應用場景測溫準確性，根據(jù)不同的應用場景，應盡可能設計針對該場景的標定和校準，以保證產(chǎn)品測量的穩(wěn)定。

2 實驗

2.1 實驗方案

根據(jù)使用場景設計實驗方案，見圖1，確定黑體校準源為目標溫度，如果黑體放置在高低溫試驗箱內(nèi)部，箱內(nèi)溫度變化會對黑體基準溫度造成影響，故將其放置在25 ℃/濕度30%～40%的實驗室內(nèi)（溫箱外）進行實驗，使用設備包括高低溫箱、探頭、黑體校準源、紅外測溫槍等測溫工具。將設備按照圖示搭建，注意將探頭和硅片就近固定好，將信號處理模塊板完全置于箱體內(nèi)部，保證探頭NTC 測試點暴露于測試環(huán)境并能及時反映工作環(huán)境變化時的工作狀態(tài)。溫箱按照10～80℃逐步升溫，并保證每個溫度點穩(wěn)定時間超過15 min。校準源溫度設置30～120 ℃（10 ℃/組）。探頭距校準源表面約15 cm。

圖1 實驗方案示意

實驗采集的數(shù)據(jù)類型見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

表格第1 列是被測物的測量碼值，第2 列為環(huán)境碼值。后對其進行異常值、去重、缺失值處理等操作，得到約4 萬條可用數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析和公式擬合

本方案中原始數(shù)據(jù)表示為測得的目標溫度碼值和NTC 器件采集的器件環(huán)境溫度碼值，圖2 為目標值為30 ℃和40 ℃條件下，實際測試得到的目標碼值和環(huán)境溫度碼值的趨勢圖。

圖2 測量目標和環(huán)境溫度關系

圖2 中曲線①和②分別是目標溫度在33 ℃和123 ℃時，實驗測得的目標碼值曲線，③和④為兩個目標溫度測量過程中的環(huán)境溫度碼值變化曲線。可看出熱電堆傳感器的測量穩(wěn)定性較好，在相同溫度變化條件下，測得的碼值具有相對固定的碼值差異范圍。

我們的目的是通過模型擬合得到目標溫度和測量值和溫度值的相互關系，并對測量值進行溫度補償。溫度補償?shù)姆椒ㄍǔＳ校翰楸矸?、線性插值法、計算法、最小二乘多項式擬合和神經(jīng)網(wǎng)絡算法。其中查表法是將測量值和采集碼值進行對應，需要建立龐大存儲容量的關系表格，環(huán)境溫度越高，關系表格越復雜，數(shù)據(jù)量也會越大。線性插值法類似于查表法，不同的是線性插值法將采集數(shù)據(jù)分段線性化，通過分段的直線對應碼值，再用插值計算獲得對應測量值，線性插值法與查表法一樣需要較大的數(shù)據(jù)量。計算法需要給器件建立確定的關系式，該式表達的是傳感器特性，計算法需要較高運算速率，且對傳感器一致性要求較高。最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最優(yōu)的函數(shù)匹配，這需要構造一個多元線性方程組，解出方程的唯一解帶入多項式，可以擬合出一個多項式。神經(jīng)網(wǎng)絡算法是更為理想的數(shù)據(jù)擬合法，他為非線性且不確定的數(shù)學建模提供新思路，但其同樣對運算速率有較高要求[7-8]。本方案要在32 位單片機上完成該任務，可以采用最小二乘多項式擬合，該方法擬合出的多項式容易用代碼實現(xiàn)，經(jīng)過補償也可達到較高精度。

將不同環(huán)境溫度點的數(shù)據(jù)從低到高排列，這樣在數(shù)據(jù)擬合時環(huán)境溫度變化過程對實際采樣的影響因素也能同步考慮進去，處理后數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行多項式擬合，效果見圖3。

圖3 擬合效果

圖3 中曲線②為測試選取的10 個溫度點擬合得到的預測值，曲線①的線段表示目標溫度。該結果曲線僅在某些溫度點的表現(xiàn)靠近目標溫度值，有部分數(shù)據(jù)項的值都很大，并且在數(shù)據(jù)的不同區(qū)間表現(xiàn)得差異不同，最終溫度點曲線表現(xiàn)不夠平滑，根據(jù)以上數(shù)據(jù)表現(xiàn)特點，嘗試將原始數(shù)據(jù)取對數(shù)后再進行分析。取對數(shù)之后不會改變數(shù)據(jù)的性質(zhì)和相關關系，但壓縮了變量的尺度，可以使數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，也削弱了模型的共線性、異方差性等。表2 展示了本次模型的分析結果，包括模型的標準化系數(shù)、t 值、VIF 值、R2、調(diào)整R2等，用于模型的檢驗，并分析模型的公式，圖4 為本次擬合效果。

圖4 擬合效果

表2 輸出結果：最小二乘線性回歸分析結果

從F 檢驗結果分析可以得出，顯著性P 值為0.000***，***代表1%的顯著性水平，拒絕回歸系數(shù)為0 的原假設，因此模型基本滿足要求。對于變量共線性表現(xiàn)，VIF 全部小于10，因此模型沒有多重共線性問題,模型構建良好模型的公式如下:

式中：Y 為預測值；X測量為目標溫度測量碼值；X環(huán)境為熱電堆工作環(huán)境溫度碼值。

2.3 數(shù)據(jù)驗證

根據(jù)公式（1），對30～130 ℃溫度范圍隨機采集樣本進行驗證，隨機數(shù)據(jù)驗證見表3。

表3 隨機數(shù)據(jù)驗證

表3 羅列了隨機抽取的黑體基準溫度在30～120 ℃的10 組數(shù)據(jù)，校驗得到預測值和誤差均符合預期。

3 結論

熱電堆紅外測溫系統(tǒng)前端溫度校準是設備出廠的必須工序，溫度校準通?？紤]環(huán)境溫度、發(fā)射率、測試距離等影響因素，可根據(jù)使用場景進行針對性校準。本研究針對使用場景設計實驗方案，研究環(huán)境溫度在10～80 ℃范圍持續(xù)變化的情況下，目標溫度范圍在30～120 ℃的溫漂校準，實現(xiàn)將精度控制在±3℃以內(nèi)的目標。本研究采用了最小二乘多項式方法，對原始數(shù)據(jù)的處理，利用算法模型進行了公式擬合，最終得到校準公式。后將根據(jù)設備使用情況，在實際應用場景中進行測試驗證和參數(shù)調(diào)整。