利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法
阅读说明：本技术 利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法 (System and method for measuring temperature of resistance element by using resistance thermal noise voltage ) 是由 陈震 陈子杰 赵晓冬 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法,包括：测温电阻,为待测样品；热噪声电压提取系统,用于采集并放大总噪声电压；热噪声电压提取系统包括前置放大器和带通滤波器,前置放大器与测温电阻双通道差分连接,带通滤波器用于设置测量的总噪声电压的带宽和增益；温度输出系统,包括电压采集卡和计算机,前置放大器输出端与电压采集卡输入端串联,电压采集卡输出端与计算机串联；电压采集卡用于采集热噪声电压提取系统输出的总噪声电压并输出至计算机,由计算机处理得到测温电阻的热噪声电压信号,并计算得到测温电阻的温度后输出。本发明利用电阻本身的热噪声电压,不需要标定,并能够在极端的条件下测试温度。(The invention relates to a system and a method for measuring the temperature of a resistance element by using resistance thermal noise voltage, comprising the following steps: the temperature measuring resistor is a sample to be measured; the thermal noise voltage extraction system is used for collecting and amplifying the total noise voltage; the thermal noise voltage extraction system comprises a preamplifier and a band-pass filter, wherein the preamplifier is in double-channel differential connection with the temperature measuring resistor, and the band-pass filter is used for setting the bandwidth and the gain of the measured total noise voltage; the temperature output system comprises a voltage acquisition card and a computer, wherein the output end of the preamplifier is connected with the input end of the voltage acquisition card in series, and the output end of the voltage acquisition card is connected with the computer in series; the voltage acquisition card is used for acquiring the total noise voltage output by the thermal noise voltage extraction system and outputting the total noise voltage to the computer, the thermal noise voltage signal of the temperature measuring resistor is obtained by processing the total noise voltage signal by the computer, and the temperature of the temperature measuring resistor is output after the temperature of the temperature measuring resistor is obtained by calculation. The invention utilizes the thermal noise voltage of the resistor, does not need calibration and can test the temperature under extreme conditions.)
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，尤其是一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法。
背景技术
现有技术中，对温度的测量主要有热电偶测试法、电阻测量法和二极管测量法。无论哪一种测温方法，都需要进行温度校准，以热电偶测试法举例：在热电偶制作完成后，需要进行基础校准，即将热电偶通过特定电路信号设计以获得一个较为准确的补偿温度，譬如零摄氏度，在此基础上，通过对比该温度与目标样品的温度差而获得准确的温度。由于校准后的补偿温度会随着时间而发生漂移，在一些高温严酷条件下使用热电偶测温，甚至需要更频繁的校准，耗费大量的时间，无法快速获得精确的温度。另外，由于金属的温度-电阻关系在极低温/极高温(40K以下或1000K以上)时会失效，所以传统的测试温度方法的测量范围有较大的局限性。
根据能量耗散理论，电阻在温度的影响下，电阻内的自由电子发生热扰动会在电阻两端产生一个电信号，称之为热噪声电压信号。通常热噪声电压信号在电路中属于干扰信号，需要专门进行消除。然而，热噪声电压信号还有着非常重要的物理意义，它和该电阻的绝对温度一一对应。因此只要分析电阻两端的热噪声电压信号，就可以获得所需温度。根据奈奎斯特噪声定理，这种方法测试的温度是绝对温度，不需要进行任何温度校准，且其测试温度的范围也不受限制。本发明正是基于该理论而设计出的一种可靠测试方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法，解决了常规测温法需要提前标定温度的问题，也弥补了在极端条件下传统测温方法失效的缺点。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统，包括：
测温电阻，为待测样品；
热噪声电压提取系统，用于采集并放大总噪声电压；热噪声电压提取系统包括前置放大器和带通滤波器，所述前置放大器与所述测温电阻双通道差分连接，所述带通滤波器用于设置测量的总噪声电压的带宽和增益；
温度输出系统，包括电压采集卡和计算机，所述前置放大器输出端与所述电压采集卡输入端串联，所述电压采集卡输出端与所述计算机串联；所述电压采集卡用于采集所述热噪声电压提取系统输出的总噪声电压并输出至计算机，由计算机处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并计算得到测温电阻的温度后输出。
所述测温电阻的电阻值为10kΩ至80kΩ。
一种利用所述利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统的电阻元件温度测量的方法，根据用户所要求的热噪声电压的测温误差以及设备可调整参数的极限，选择热噪声电压提取系统的最佳测试带宽、以及电压采集卡的采样时间，电压采集卡的采样率设置为大于测试信号最高频率的两倍；
设置热噪声电压提取系统为低噪声放大模式，保证热噪声电压提取系统可以迅速的将热噪声电压放大到一个可测量的水平；然后根据温度输出系统的分辨率来设置热噪声电压提取系统的增益，保证温度输出系统能获得微小的热噪声电压信号，进而转化为温度输出；
将总噪声电压处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并输出测温电阻的温度的方法如下：
温度输出系统测得的总噪声电压V总噪声由三分部组成，包括：
前置放大器的电压噪声V电压噪声、前置放大器的电流噪声V电流噪声和测温电阻的热噪声电压V′热噪声，表达式如下所示：
上式中，V电压噪声可通过短接前置放大器输入端时测得；
I噪声为噪声电流；
考虑所述测温电阻及所述前置放大器本身存在输入电容，关于输入电容的热噪声电压理论值的计算公式如下：
上式中，f为噪声频率，fh为噪声频率上限，fl为噪声频率下限，R为测温电阻阻值，T为测温电阻的温度，C为输入电容，gain为噪声电压增益，kB为玻尔兹曼常数；
将热噪声电压理论值与测量得到的总噪声电压V总噪声进行拟合，拟合过程中，通过热电偶贴合测温电阻测得测温电阻的温度T，进而计算获得输入电容C，在拟合得到电容C的同时依据上述关于输入电容的热噪声电压理论值的计算公式拟合计算出I噪声，进而计算出电流噪声V电流噪声，总噪声电压V总噪声减去电压噪声V电压噪声和电流噪声V电流噪声，即可得到实验测试的测试电阻的热噪声电压，再根据所述热噪声电压理论值的计算公式求出对应的测温电阻的温度并输出。
本发明的有益效果如下：
本发明利用电阻热噪声电压去获得待测试样品温度，与现有的测温法相比较，不需要进行任何校准和标定，与传统的测温方法比较，不仅可迅速获得待测样品的温度，而且没有温度测试范围的限制，还能达到同等的测试精度。本发明的测试样品的材料不受限制，在材料的性质未改变范围内没有测量区间限制。
附图说明
图1为本发明的系统的结构示意图。
图2为利用本发明方法对不同阻值的金属膜电阻样品进行热噪声电压测试结果的对比图。
图3为利用本发明方法得到的测试温度和K型热电偶测试温度的结果对比。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统，如图1所示，包括：
测温电阻，为待测样品；
热噪声电压提取系统，用于采集并放大总噪声电压；热噪声电压提取系统包括前置放大器和带通滤波器，前置放大器与所述测温电阻双通道差分连接，且前置放大器与带通滤波器串联，带通滤波器用于设置测量的总噪声电压的带宽和增益；
温度输出系统，包括电压采集卡和计算机，所述前置放大器输出端与所述电压采集卡输入端串联，所述电压采集卡输出端与所述计算机串联；所述电压采集卡用于采集所述热噪声电压提取系统输出的总噪声电压并输出至计算机，由计算机处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并计算得到测温电阻的温度后输出。
上述测温电阻的电阻值为10kΩ至80kΩ。
温度输出系统可设置每秒采集噪声电压的点数，即电压采样率，以及采集电压信号的时间，即采样时间，进而调整温度输出的精度。
作为待测样品的测温电阻的形状大小不限，通常需要设计两个引脚方便将其引线接到前置放大器上，材料可选择碳膜或者金属膜电阻等。
为了测试精度的准确性，测温电阻的阻值宜选择在10kΩ到80kΩ，电阻阻值过小会被热噪声电压提取系统的电压噪声覆盖(阻值过小，电压噪声远远大于热噪声电压，不利于提取)，阻值过大由于热噪声电压提取系统的自身电流噪声影响(阻值过大，电流噪声远远大于热噪声电压，同样不利于提取)，测试精度会减小。
因此，如果待测样品本身的电阻阻值在10kΩ至80kΩ之间，可以直接作为测温电阻测量其热噪声电压信号，如果待测样品本身的电阻不满足以上条件，如某些导电材料或绝缘材料，那么需要将待测试温度样品与所设计的满足测试要求的电阻(阻值在10kΩ至80kΩ即可)电绝缘贴合后再测量，在电绝缘的同时要求测温电阻和待测样品之间热传输良好，保证测温电阻和待测样品的温度一致，通常用导热胶(thermal paste)贴合。通过这一设计，可以测试任意样品的温度。
图1中“电脑”即为上述“计算机”。
本实施例的一种利用上述系统进行电阻元件温度测量的方法：
根据用户所要求的热噪声电压的测温误差以及设备可调整参数的极限，选择热噪声电压提取系统的最佳测试带宽、以及电压采集卡的采样时间，电压采集卡的采样率设置为大于测试信号最高频率的两倍；
设置热噪声电压提取系统为低噪声放大模式，保证热噪声电压提取系统可以迅速的将热噪声电压放大到一个可测量的水平；然后根据温度输出系统的分辨率来设置热噪声电压提取系统的增益，保证温度输出系统能获得微小的热噪声电压信号，进而转化为温度输出；
上述带宽可通过设置带通滤波器的低通和高通的截至频率来确定。
上述测温误差可以通过RICE不等式来估计，不等式如下：
式(1)中，ΔT为测试温度的误差，T为测试电阻的温度，t为采样时间，Δf为测试带宽。
上述的将总噪声电压处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并输出测温电阻的温度的方法如下：
本实施例测试热噪声电压的目的是为了提取出测温电阻的温度，所以热噪声电压的准确性实际上决定了温度的准确性，故测量结果应与热噪声电压的理论值进行比较。
不考虑输入电容的情况下，原热噪声电压的理论值计算式如下：
其中，f为噪声频率，fh为噪声频率上限，fl为噪声频率下限，R为测温电阻阻值，T为测温电阻的温度，gain为噪声电压增益，kB为玻尔兹曼常数；
但是由于测温电阻及前置放大器本身存在输入电容，而热噪声电压与输入电容关系式如式(3)所示，所以考虑输入电容的实际测试的热噪声电压理论值由式(3)计算而得，并且由式(3)可以看到，等式两端仅有温度一个未知量，所以用测试的热噪声电压值可以得到实验测试样品温度。
其中，f为噪声频率，fh为噪声频率上限，fl为噪声频率下限，R为测温电阻阻值，T为测温电阻的温度，gain为噪声电压增益，kB为玻尔兹曼常数；C为输入电容；
在得到了热噪声电压的理论值后，根据实验测试得到的总噪声电压V总噪声由三分部组成，包括测温电阻的热噪声电压V′热噪声、前置放大器的电压噪声V电压噪声和前置放大器的电流噪声V电流噪声，表达式：
其中，V电压噪声可通过短接前置放大器输入端时测得；I噪声为噪声电流。
将热噪声电压理论值与测量得到的总噪声电压V总噪声进行拟合，拟合过程中，通过热电偶贴合测温电阻测得测温电阻的温度T，进而计算获得输入电容C，在拟合得到电容C的同时依据式(4)拟合出I噪声，依据I噪声计算出电流噪声V电流噪声，总噪声电压V总噪声减去电压噪声V电压噪声和电流噪声V电流噪声，即可得到实验测试的测试电阻的热噪声电压，再根据式(3)求得对应的测温电阻的温度并输出。
在拟合求输入电容和电流噪声的过程中，温度T为热电偶贴合测温电阻的测试温度，将考虑了输入电容后计算的热噪声电压理论值(热电偶测温反映的测温电阻温度)和实际测试得出的噪声电压值(热噪声电压反映的测温电阻温度)比较，观察两者是否自洽，从而反映利用热噪声电压测试温度的准确性。
以上的拟合计算及热噪声电压理论、实验值的比较过程均使用计算机处理。
如图2所示，为本实施例的测温方法对不同阻值的金属膜电阻样品进行热噪声电压测试结果的对比。斜率差即为测试温度与实际温度误差，由图可知温度误差为3％。
如图3所示，为利用本实施例的测温方法得到的利用热噪声电压测试温度和K型热电偶测试温度结果的对比，将两者测量的结果绘制在同一图中发现，利用热噪声测试温度的结果与利用热电偶测试的结果十分接近，两者线性拟合系数为0.998，且两者结果的误差在±1K，证明了热噪声测试温度的稳定性。
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