阅读说明：本技术 基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法及系统 (Automatic calibration method and system based on thermistor temperature sensor acquisition equipment ) 是由 林宇翔 陈果 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开的基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法,包括以下步骤：取n个温度段的数据形成传感器电阻值温度对应表；使用n个继电器的继电器模块连接n个固定电阻；标定控制设备根据采集设备的指令来控制继电器模块打开第m个继电器来连通对应第m个电阻；采集设备采集连通的第m个电阻值,并且记录采集到的第m个电阻的采集电阻值与第m个电阻值和温度；采集完n个电阻后采集电阻值对应的温度sampleRT形成采集设备电阻值温度对应表；采集设备将采集到的sampleRT传到标定控制设备进行计算拟合参数并保存,标定完成。本发明使用电阻进行标定的环境温度要求不高,节省时间且成本低。(The invention discloses an automatic calibration method based on thermistor temperature sensor acquisition equipment, which comprises the following steps: taking data of the n temperature sections to form a sensor resistance value temperature corresponding table; the relay module of the n relays is used for connecting the n fixed resistors; the calibration control equipment controls the relay module to open the mth relay to communicate with the corresponding mth resistor according to the instruction of the acquisition equipment; the collecting equipment collects the communicated mth resistance value and records the collected collecting resistance value of the mth resistance, the mth resistance value and the temperature; acquiring the temperature samplerT corresponding to the resistance value after acquiring the n resistors to form an acquisition equipment resistance value temperature corresponding table; and the acquisition equipment transmits the acquired samplerT to the calibration control equipment to calculate and store the fitting parameters, and the calibration is completed. The invention has low requirement on the environment temperature by using the resistor for calibration, saves time and has low cost.)

基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法及系统

技术领域

本发明涉及采集设备标定领域，特别涉及基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法及系统。

背景技术

在生产热敏电阻温度传感器采集设备(以下简称“采集设备”)的时候可能会因为采购的电子元器件的精度不够导致每个采集设备精度不够。目前标定采集设备的方法有：

1、恒温箱标定法，为了节省时间、成本，使用继电器切换不同的固定电阻来模拟温度传感器放到恒温箱的真实环境，其由多个温度传感器并且将温度传感器浸泡在多个恒温箱里，通过分别采集不同恒温箱温度传感器来进行标定。在生产大量采集设备时通过恒温箱标定法需要花费大量的时间、要求进行标定的环境温度稳定、需要大量的恒温箱来进行标定、成本高。

2、传统的标定方式是热敏电阻温度传感器采集设备经过采集数据后人工使用工具进行计算拟合参数再将参数设置到温度传感器采集设备。为了实现自动标定，将拟合参数算法集成到标定控制设备中，温度传感器采集设备主要将采集到的电阻值和温度值传给标定控制设备就会得到拟合参数来达到自动化标定过程。

3、传统的拟合参数个数都是固定的，当需要拟合的数据的规律比较复杂就没办法做到很好的拟合。为了拟合得更加精准使用不定参数的方法，理论上可以随意指定参数个数。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法。

本发明的另一目的在于提供基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定系统。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法，包括以下步骤：

第一步，采用高精度温度传感器厂家测量的电阻值与温度对应关系的数据，取n个温度段的数据realRT形成传感器电阻值温度对应表；

第二步，使用n个继电器的继电器模块连接n个固定电阻，这n个电阻的电阻值要选用传感器电阻值温度对应表中n个电阻值；n≥1；

第三步，标定控制设备根据采集设备的指令来控制继电器模块打开第m个继电器来连通对应第m个电阻，其中m≤n；

第四步，采集设备采集连通的第m个电阻的电阻值，并记录与第m个电阻对应的温度；

第五步，判断是否已经采集完n个电阻：如果未采集完重复第二步；采集完成后采集电阻值对应的温度sampleRT形成采集设备电阻值温度对应表；

第六步，采集设备将采集到的sampleRT传到标定控制设备进行计算拟合参数；所述拟合参数计算方法如下：

(1)对电阻值进行加工；

(2)将温度归一化；

(3)将归一化的温度转为摄氏度；

(4)由于采集到的电阻值与温度是非线性关系近似高次多项式，定义拟合函数，并对拟合函数的每个系数求偏导函数并化简；将偏导函数写成矩阵相乘的形式形成线性方程组；使用高斯消元法求解线性方程组即得到拟合参数；拟合参数代入拟合函数即可求得归一化的温度值，再将归一化的温度转为摄氏度；

第七步，采集设备保存拟合参数，标定完成。

步骤(1)中，所述对电阻值进行加工具体通过以下公式进行：

x_i＝ln(sr_i/baseR)，

其中，ln是自然对数函数，sr_i为采集的第i个电阻值，baseR是常量值(常取值为30)，x_i为sr_i加工后的数值，1≤i≤n；将采集设备电阻值温度对应表中所有采集电阻值加工后为集合x＝(x₁,x₂,...,x_n)。将采集电阻值进行加工是为了降低后面数据做指数运算的运算量。

步骤(2)中，所述将温度归一化具体通过以下公式进行：

y_i＝1.0/(t_i-az)，

其中，t_i为第i个温度值，az为绝对零度-273.15，y_i为t_i归一化后的数值，1≤i≤n；温度归一化后为集合y＝(y₁,y₂,...,y_n)。温度归一化是为了降低后面数据做指数运算的运算量。

步骤(3)中，所述将归一化的温度转为摄氏度具体通过以下公式进行：

t_i＝1.0/fy_i+az,

其中，t_i为第i个温度值，az为绝对零度-273.15，fy_i为第i个拟合后的归一化温度。

所述步骤(4)具体如下：

A、由于采集到的电阻值与温度是非线性关系近似高次多项式，定义拟合函数

其中，fy_i为第i个拟合后的归一化温度，k+1为拟合系数的个数，k≥2,集合a＝(a₀,a₁,...,a_k)为拟合系数，误差函数

B、为了使拟合函数最优，对函数的每个系数(a₀,a₁,a₂...a_k)求偏导函数，即

...

C、化简偏导函数

...

D、将偏导函数写成矩阵相乘的形式，将所有只含x的系数写为矩阵X，即

将待求解的多项式系数写为矩阵A，即

将含有y的系数写为矩阵Y，即

此时，将以上矩阵X,A,Y写矩阵相乘，即

XA＝Y；

E、使用高斯消元法求解线性方程组，其中X,Y为已知数，A为未知数,经过求解线性方程组求出矩阵A，即拟合参数；

F、将方程组的解A矩阵(a₀,a₁,a₂...a_k)代入拟合函数

即可求得归一化的温度值后再经过函数t_i＝1.0/fy_i+az计算得到实际的温度值。

所述拟合参数计算方法还包括验证步骤：

验证以上拟合参数计算结果，经过实验得出采集电阻值sr_i与温度对应的实验电阻值温度对应表；

当k+1＝3时，拟合函数为f(x_i)＝a₀+a₁x_i+a₂x_i ²,

a₀＝0.0032223027669568386

a₁＝0.00029245873274454104

a₂＝-0.00023211054460076097

将实验电阻值温度对应表的采集电阻值列代入拟合函数得温度[34.0290308334.92031458 36.08889966 36.96170087]；

当k+1＝5时，拟合函数为f(x_i)＝a₀+a₁x_i+a₂x_i ²+a₃x_i ³+a₄x_i ⁴,解方程得

a₀＝0.00321888069978578

a₁＝0.0007768905773277712

a₂＝-0.015012867491954338

a₃＝0.15700245412736596

a₄＝-0.5424752185849551

将实验电阻值温度对应表的采集电阻值列代入拟合函数得温度[34 35 36 37]；

由以上验证发现拟合参数越多经过拟合函数计算出的值就越接近真实的温度，由以上方法使拟合参数理论上无限个。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定系统，包括标定控制设备、继电器模块，其中标定控制设备对采集设备的电阻值进行标定，同时标定控制设备根据采集设备的指令来控制继电器模块打开与关闭。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明使用不同阻值的高精度电阻元器件模拟温度传感器在不同恒温箱的环境。优点如下：一是电阻的阻值是固定的没有恒温箱恒温的过程所以节省时间；二是使用电阻进行标定的环境温度要求不高；三是成本低。

附图说明

图1为本发明所述一种基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法对应的硬件框架图。

图2为本发明所述一种基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法的工作示意图。

其中附图标记的含义如下：

1-第一继电器、2-第二继电器、3-第三继电器、4-第一电阻、5-第二电阻、6-第三电阻。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定系统，包括标定控制设备、继电器模块，其中标定控制设备对采集设备(热敏电阻温度传感器采集设备)的电阻值进行标定，同时标定控制设备根据采集设备的指令来控制继电器模块打开与关闭。

如图2所示，基于热敏电阻温度传感器采集设备的自动标定方法，包括以下步骤：

第一步，采用高精度温度传感器厂家测量的电阻值与温度对应关系的数据，取n个温度段的数据realRT形成传感器电阻值温度对应表；传感器电阻值温度对应表如表1所示：

表1

序号	电阻值r(KΩ)	温度t(℃)
			1	34.158	34
2	32.774	35
			...	...	...
n	24.647	42

第二步，使用n个继电器的继电器模块连接n个固定电阻，这n个电阻的电阻值要选用传感器电阻值温度对应表中n个电阻值；n≥1；

第三步，标定控制设备根据采集设备的指令来控制继电器模块打开第m个继电器来连通对应第m个电阻，其中m≤n；

第四步，采集设备采集连通的第m个电阻的电阻值，并记录与第m个电阻对应的温度；

第五步，判断是否已经采集完n个电阻：如果未采集完重复第二步；采集完成后采集电阻值对应的温度sampleRT形成采集设备电阻值温度对应表；采集设备电阻值温度对应表如表2所示：

表2

序号	采集电阻值sr(KΩ)	温度t(℃)
			1	34.2	34
2	32.9	35
			...	...	...
n	24.8	42

第六步，采集设备将采集到的sampleRT传到标定控制设备进行计算拟合参数；所述拟合参数计算方法如下：

(1)对电阻值进行加工；

(2)将温度归一化；

(3)将归一化的温度转为摄氏度；

(4)由于采集到的电阻值与温度是非线性关系近似高次多项式，定义拟合函数，并对拟合函数的每个系数求偏导函数并化简；将偏导函数写成矩阵相乘的形式形成线性方程组；使用高斯消元法求解线性方程组即得到拟合参数；拟合参数代入拟合函数即可求得归一化的温度值，再将归一化的温度转为摄氏度；

第七步，采集设备保存拟合参数，标定完成。

步骤(1)中，所述对电阻值进行加工具体通过以下公式进行：

x_i＝ln(sr_i/baseR)，

其中，ln是自然对数函数，sr_i为采集的第i个电阻值，baseR是常量值(常取值为30)，x_i为sr_i加工后的数值，1≤i≤n；将采集设备电阻值温度对应表中所有采集电阻值加工后为集合x＝(x₁,x₂,...,x_n)。将采集电阻值进行加工是为了降低后面数据做指数运算的运算量。

步骤(2)中，所述将温度归一化具体通过以下公式进行：

y_i＝1.0/(t_i-az)，

其中，t_i为第i个温度值，az为绝对零度-273.15，y_i为t_i归一化后的数值，1≤i≤n；温度归一化后为集合y＝(y₁,y₂,...,y_n)。温度归一化是为了降低后面数据做指数运算的运算量。

步骤(3)中，所述将归一化的温度转为摄氏度具体通过以下公式进行：

t_i＝1.0/fy_i+az,

其中，t_i为第i个温度值，az为绝对零度-273.15，fy_i为第i个拟合后的归一化温度。

所述步骤(4)具体如下：

A、由于采集到的电阻值与温度是非线性关系近似高次多项式，定义拟合函数

其中，fy_i为第i个拟合后的归一化温度，k+1为拟合系数的个数，k≥2,集合a＝(a₀,a₁,...,a_k)为拟合系数，误差函数

B、为了使拟合函数最优，对函数的每个系数(a₀,a₁,a₂...a_k)求偏导函数，即

...

C、化简偏导函数

...

D、将偏导函数写成矩阵相乘的形式，将所有只含x的系数写为矩阵X，即

将待求解的多项式系数写为矩阵A，即

将含有y的系数写为矩阵Y，即

此时，将以上矩阵X,A,Y写矩阵相乘，即

XA＝Y；

E、使用高斯消元法求解线性方程组，其中X,Y为已知数，A为未知数,经过求解线性方程组求出矩阵A，即拟合参数；

F、将方程组的解A矩阵(a₀,a₁,a₂...a_k)代入拟合函数

即可求得归一化的温度值后再经过函数t_i＝1.0/fy_i+az计算得到实际的温度值。

所述拟合参数计算方法还包括验证步骤：

验证以上拟合参数计算结果，经过实验得出采集电阻值sr_i与温度对应的实验电阻值温度对应表；实验电阻值温度对应表如表3所示：

表3

序号	采集电阻值sr(KΩ)	温度t(℃)
			1	34.2	34
2	32.9	35
			3	31.4	36
4	30.4	37

当k+1＝3时，拟合函数为f(x_i)＝a₀+a₁x_i+a₂x_i ²,

a₀＝0.0032223027669568386

a₁＝0.00029245873274454104

a₂＝-0.00023211054460076097

将实验电阻值温度对应表的采集电阻值列代入拟合函数得温度[34.0290308334.92031458 36.08889966 36.96170087]；

当k+1＝5时，拟合函数为f(x_i)＝a₀+a₁x_i+a₂x_i ²+a₃x_i ³+a₄x_i ⁴,解方程得

a₀＝0.00321888069978578

a₁＝0.0007768905773277712

a₂＝-0.015012867491954338

a₃＝0.15700245412736596

a₄＝-0.5424752185849551

将实验电阻值温度对应表的采集电阻值列代入拟合函数得温度[34 35 36 37]；

由以上验证发现拟合参数越多经过拟合函数计算出的值就越接近真实的温度，由以上方法使拟合参数理论上无限个。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。