自返式微型地?zé)崽结槣囟葴y(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮志濤，李家軍，李 墨，賈立雙，關(guān)宏韜

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

地球物理學(xué)界一般將海域的大地?zé)崃鞣Q為海底熱流（submarine heat flow），探測(cè)海底熱流是研究板塊構(gòu)造、地球動(dòng)力學(xué)、海底熱液活動(dòng)、大陸邊緣沉積盆地演化及開(kāi)展海上油氣資源評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)[1]。同時(shí)，溫度梯度與熱流數(shù)據(jù)對(duì)了解天然氣水合物的地?zé)釄?chǎng)條件，了解其宏觀分布規(guī)律有很強(qiáng)的理論支撐作用。

海底地?zé)崽结樖悄壳捌毡椴捎玫臒崃髡{(diào)查手段，它具有操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、方便高效等特點(diǎn)[2]。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，研制出一種自返式微型地?zé)崽结?。該探針采用微型化設(shè)計(jì)，可進(jìn)行機(jī)載和艦載投放。海底熱流的測(cè)量是一種間接測(cè)量方式，它可以轉(zhuǎn)換為地溫梯度及海底沉積物熱導(dǎo)率的測(cè)量，溫度測(cè)量單元的精度、響應(yīng)時(shí)間等性能直接影響到熱流測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性。因此，探針系統(tǒng)中的溫度測(cè)量單元的工作性能是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量海底熱流的關(guān)鍵。本文結(jié)合自返式微型地?zé)崽结槦崃髟粶y(cè)量的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套高精度多通道的測(cè)溫電路，并實(shí)現(xiàn)了海底沉積物熱流的精確測(cè)量。

1 溫度測(cè)量單元設(shè)計(jì)方案

本文中的溫度測(cè)量電路是依據(jù)自返式微型探針的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的。首先，從原理角度降低引線電阻干擾，可用于長(zhǎng)導(dǎo)線的遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量；其次，外擴(kuò)多個(gè)溫度信號(hào)輸入通道，可進(jìn)行沉積物溫度梯度測(cè)量。由于鉑（Pt）電阻在精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等方面性能優(yōu)異，并且在測(cè)溫范圍內(nèi)，其電阻-溫度線性關(guān)系理想，溫漂性能比較好，本文著重研究基于鉑（Pt）電阻的高精度測(cè)溫技術(shù)。為提高電壓靈敏度，決定采用PT1000鉑電阻作為感溫元件，AD芯片選用24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而達(dá)到高精度、快速沉積物溫度測(cè)量。四線制連接方式中的電路回路與電壓測(cè)量回路相互獨(dú)立，互不干擾，可有效屏蔽旁路噪聲。

針對(duì)海底沉積物及海洋水文環(huán)境溫度分布特點(diǎn)，確定微型探針的測(cè)溫范圍為-2～35℃。電路采用PT1000電阻作為感溫元件，電路集成7個(gè)測(cè)溫通道，采用四線制接法，恒流源測(cè)溫方式，有效消除引線電阻引入的測(cè)量誤差，較好保持阻值與電壓間的線性關(guān)系。使用多路開(kāi)關(guān)在通道間切換，通道1-7間循環(huán)異步采集，7通道全部循環(huán)1次視為1組數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)采樣率2組/s。測(cè)溫電路主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)溫電路技術(shù)指標(biāo)表

2 探針測(cè)溫電路工作原理

鉑電阻Pt1000測(cè)溫是首先將恒流源電流與參考電阻和感溫元件相串聯(lián)，分別在參考電阻和溫度傳感器兩端得到兩個(gè)電壓信號(hào)，參考電阻選用溫漂極低的高精電阻，而后將兩個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路的性能直接關(guān)系到前端電阻與后端AD轉(zhuǎn)換器輸入的電壓信號(hào)之間轉(zhuǎn)換的相關(guān)性。將感溫元件電阻兩端電壓信號(hào)輸入AD轉(zhuǎn)換器的輸入端，參考電阻兩端電壓作為基準(zhǔn)電壓，最后通過(guò)主控芯片進(jìn)行計(jì)算并通過(guò)一定算法轉(zhuǎn)換為溫度值。探針中恒流源測(cè)溫電路原理框圖如圖1所示。

圖1 探針測(cè)溫電路原理框圖

相比其他測(cè)溫方式，鉑電阻自身線性度、穩(wěn)定性等特性決定了它在高精度測(cè)溫領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢(shì)，而測(cè)溫技術(shù)中常見(jiàn)的鉑電阻有Pt25，Pt100和Pt1000 3種類型，亦即在0℃時(shí)的阻值分別為25 Ω，1 00 Ω及1 000 Ω。恒流源驅(qū)動(dòng)鉑電阻測(cè)量溫度時(shí)，鉑電阻既是感溫元件，同時(shí)又是負(fù)載，當(dāng)電流流經(jīng)鉑電阻，會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，功率為：

在精度要求較高的測(cè)溫系統(tǒng)中，電阻自發(fā)熱會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果形成干擾。本文選用PT1000電阻，在相同溫度段其特征電阻較高，以0℃為例，Pt1000鉑電阻為Pt100鉑電阻的10倍，同等溫度電壓輸入范圍情況下，其驅(qū)動(dòng)電流約為Pt100鉑電阻的1/10，此時(shí)其自發(fā)熱為

其自發(fā)熱變?yōu)樵β实?/10。據(jù)此，選用PT1000鉑電阻可有效降低自發(fā)熱。

傳統(tǒng)的鉑電阻測(cè)溫有二線制、三線制和四線制三種接法，四線制連接中電路回路與電壓測(cè)量回路相互獨(dú)立，互不干擾，可有效屏蔽旁路噪聲。本文在Pt1000鉑電阻兩端各連接2支引線，其中一組用于恒流源電流驅(qū)動(dòng)鉑電阻產(chǎn)生壓降V1，另一組引線連接至信號(hào)調(diào)理電路用于測(cè)量壓降。恒流源電流I流經(jīng)在Pt1000電阻兩端產(chǎn)生一定壓降，其中包含引線電阻壓降，利用ab端作為測(cè)量回路測(cè)量壓降，ADC引線因?yàn)闆](méi)有通過(guò)電流，即可達(dá)到去除引線電阻壓降干擾的目的，從而提高了精度。由PT電阻兩端電壓V1為AD輸入信號(hào)，參考電阻兩端電壓Vref做為基準(zhǔn)電壓，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)一定的算法即可獲取當(dāng)前溫度值。

圖2 四線制連接方式

3 硬件電路設(shè)計(jì)

恒流源部分的穩(wěn)定性和精度關(guān)系到系統(tǒng)測(cè)溫精度，恒流源電路設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮到其抗干擾能力。本文選用REF200芯片為測(cè)溫電路提供恒流源驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部由2個(gè)100 μA的電流源和鏡像電流源組成，三者相互獨(dú)立，抗干擾能力強(qiáng)，且具有優(yōu)良的溫漂特性。

ADS1248為高度集成24 bit精密ADC芯片，集成低噪音可編程增益放大器（PGA），集成2路恒流源，可采樣4組差分或7組單端輸入，還具有50/60 Hz同步抑制模式；ADS1248數(shù)據(jù)速率高達(dá)2 ksps，功耗僅為2．56 mW，芯片集成度高，可有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。本文ADS1248模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理見(jiàn)圖3。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖

ADS1248芯片集成了編程增益放大器（PGA），為有效降低功耗，將微弱電壓信號(hào)的調(diào)理電路替代為ADC芯片中的PGA模塊。然后進(jìn)行ADC，獲取電壓值，從而間接得到電阻值。

4 探針測(cè)溫電路控制軟件設(shè)計(jì)

電路控制流程如圖4所示。

圖4 控制軟件流程圖

在探針系統(tǒng)中測(cè)溫電路與數(shù)據(jù)采集控制電路相互獨(dú)立，控制電路是數(shù)據(jù)采集電路的核心，測(cè)溫電路接受控制電路指揮，負(fù)責(zé)采集溫度并記錄階段狀態(tài)并向控制電路上傳測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。測(cè)溫電路采用串口中斷方式接收上位機(jī)指令，電路上電之后，會(huì)首先待命，一旦收到開(kāi)始測(cè)溫命令，立即開(kāi)始測(cè)溫操作。而后，單片機(jī)繼續(xù)等待進(jìn)一步命令，若命令接收標(biāo)志符為0，則代表無(wú)串口指令，繼續(xù)等待；若命令接受標(biāo)識(shí)符為1，則代表接收到串口指令，進(jìn)而判斷命令類型，執(zhí)行相應(yīng)操作。測(cè)溫電路共設(shè)置4種命令類型，分別代表上傳數(shù)據(jù)、停止測(cè)溫、更改階段狀態(tài)字和其他等4種操作。舉例說(shuō)明，若判斷命令類型為1，則首先更改狀態(tài)字（狀態(tài)字分為3種：0x00代表為開(kāi)始測(cè)溫狀態(tài)，0x01代表開(kāi)始加熱狀態(tài)，0x10代表加熱結(jié)束狀態(tài)）。待狀態(tài)字修改成功，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)溫、存儲(chǔ)然后查詢串口命令。

5 提高測(cè)溫精度措施分析

5.1 排除自熱效應(yīng)和引線電阻干擾

鉑電阻測(cè)溫中，Pt1000鉑電阻可在保證輸入電壓閾值的前提下，有效降低激勵(lì)電流從而達(dá)到負(fù)載功率的目的，從原理設(shè)計(jì)階段將自熱效應(yīng)的影響降到最低，為高精度測(cè)溫提供保證。

經(jīng)過(guò)第2節(jié)分析，四線制恒流源測(cè)溫方法中，恒流源驅(qū)動(dòng)回路和測(cè)量回路相互獨(dú)立，去除了引線電阻的干擾，這種方法測(cè)量電阻阻值其精度可接近100%，因此其電阻誤差可忽略。

5.2 降低ADC芯片采樣誤差

系統(tǒng)采用24 bit的高精度ADC芯片，測(cè)量最大誤差可控制在0．001%范圍內(nèi)。電路采用恒流源方式，將傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用參考電阻兩端電壓作為基準(zhǔn)電壓，鉑電阻兩端電壓與之對(duì)比進(jìn)行采樣，二者間同時(shí)輸入ADC芯片，且驅(qū)動(dòng)電流源相同，這種比例法測(cè)電阻巧妙的簡(jiǎn)化電路的同時(shí)，消除了基準(zhǔn)電壓芯片引入的誤差，從而達(dá)到了提高精度的目的[3]。

采樣精度與參考電阻精度關(guān)系密切，參考電阻的精度和溫漂特性直接影響到電路的測(cè)溫精度。本文選用高精度電阻作為參考電阻，其溫漂值為5 ppm，亦即溫度值變化1℃，其阻值變化幅度為0．000 01 Ω。

5.3 溫度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

在測(cè)溫電路實(shí)際應(yīng)用中，單純依靠硬件設(shè)計(jì)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度目標(biāo)的。而測(cè)溫補(bǔ)償算法可在不增加硬件成本和設(shè)計(jì)難度的情況下，采用最小二乘線性擬合的溫度標(biāo)校，然后通過(guò)滑動(dòng)均值濾波對(duì)測(cè)溫信號(hào)中存在的高頻噪聲進(jìn)行有效濾波，達(dá)到進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲提高精度的目的[5]。

感溫元件電阻與兩端電壓在溫度變化范圍內(nèi)并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，不過(guò)如果在溫度范圍進(jìn)一步細(xì)分，可近似為線性關(guān)系，因此溫度的擬合實(shí)際是分段線性擬合。測(cè)溫范圍分段越細(xì)，擬合曲線越接近真實(shí)溫度-電阻曲線，溫度補(bǔ)償效果越好?；瑒?dòng)均值濾波是一種低通濾波器，具有較好的高頻抑制特性，而且操作簡(jiǎn)單，濾波算法容易實(shí)現(xiàn)。

6 測(cè)溫電路誤差分析

2016年11月，測(cè)溫電路在恒溫水槽內(nèi)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電路的工作性能進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)利用office軟件對(duì)低通濾波效果通過(guò)圖表形式進(jìn)行了對(duì)比，如圖5～圖6。

首先已參考電阻兩端電壓為基準(zhǔn)電壓采集到的電壓原始值進(jìn)行分析，對(duì)比可分析可知溫度補(bǔ)償算法的工作性能。

圖5 濾波前采樣相鄰值抖動(dòng)

圖6 濾波后采樣相鄰值抖動(dòng)

試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)過(guò)濾波后，濾除了一些數(shù)值高頻區(qū)的抖動(dòng)，曲線更加平緩，溫度數(shù)據(jù)輸出更加穩(wěn)定。可以看到，濾波前其抖動(dòng)值可達(dá)±60，經(jīng)過(guò)濾波后迅速降低至±10。原有的抖動(dòng)約為全量程的0．09%，經(jīng)過(guò)濾波后性能得到明顯提升，抖動(dòng)比范圍降為全量程的0．015 9%，測(cè)溫精度、穩(wěn)定度得到明顯改善。電路標(biāo)定值與恒溫槽標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 測(cè)溫電路與恒溫槽標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比表

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)測(cè)溫原理的深入研究，結(jié)合自返式微型探針的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1套多通道高精度的測(cè)溫電路，通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)和內(nèi)部溫度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)，最大限度降低了系統(tǒng)噪聲，提高精度。最后，經(jīng)過(guò)溫度標(biāo)定試驗(yàn)，其測(cè)溫精度優(yōu)于±0．01℃。測(cè)溫電路2016年12月在自返式微型地?zé)崽结樅Ｉ显囼?yàn)中得到了實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)溫電路工作穩(wěn)定，測(cè)溫準(zhǔn)確。在渤海某海域進(jìn)行的海上試驗(yàn)中，成功獲取到1組海底熱流測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)溫曲線平滑，通道間一致性良好，無(wú)畸變。衛(wèi)星地?zé)崽结樁嗤ǖ栏呔珳y(cè)溫電路的研制成功，可大大提高海底熱流的測(cè)量精度，為更好地研究海底熱流，從而更加精確地為海洋地質(zhì)學(xué)研究、海底資源調(diào)查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持具有很強(qiáng)的科學(xué)意義。

[1] 汪集旸 ，等.地?zé)釋W(xué)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2015:123.

[2]羅玉璽，鄭國(guó)芝，孫牽宇.深海地?zé)崽结樀脑O(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].海洋技術(shù)，2012,1(1):62-66.

[3]張樹(shù)青，李妍，王步洲.基于ADS1248高精度測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技，2013,30(4):249-252.

[4]秦洋陽(yáng)，楊小秋，吳保珍.海底熱流探測(cè)中的高分辨率測(cè)溫技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)，2013,43(7):816-821.

[5]程建華，羅立成，王鑫哲.高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010,9(11):36-39.