MATLAB在表面温度动态校准实验数据

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1、目录1 绪论 11.1研究内容和意义 11.2温度的测量 11.2.1 温度的基本概念 11.2.2 温度的测量方法 21.2.3 瞬态表面温度测量的国内外现状 22 传感器概述 42.1传感器的特性 42.1.1 传感器的静态特性 42.1.2 传感器的动态特性 52.2 表面温度传感器 62.2.1 表面温度传感器的分类 62.2.2 热电偶表面温度传感器 73 传感器校准 93.1 传感器的标定与校准 93.2 传感器的静态校准 93.3 传感器的动态校准 94 CHAL-010 型热电偶温度传感器动态校准系统 104.1 表面温度传感器的动态校准 104.1.1 表面温度传感器静态标定

2、 104.1.2 表面温度传感器动态校准 124.2 CHAL-010型热电偶温度传感器动态校准系统的设计方案134.2.1 CHAL-010型热电偶温度传感器的静态标定144.2.2 CHAL-010型热电偶温度传感器的动态校准145 表面温度传感器动态校准数据的处理 155.1 基于 ORIGIN 的去噪 155.2基于Matlab的数据曲线拟合 175.2.1 曲线拟合的最小二乘法原理 175.2.2 曲线拟合 186 总结 23参 考 文 献 24致 谢 261.1 研究内容和意义Matlab 是种功能十分强大，运算效率很高的数字工具软件，全称是 Matrix Laboratory。起

3、初它是一种专门用于矩阵运算的软件，经过多年的发展，Matlab已经发 展成为一种功能强大的软件，几乎可以解决科学计算中的任何问题，具有强大的数值分 析和图像处理能力。在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图 形绘制、输入输出、文件管理等多项操作。在本论文中，利用 Matlab 强大的处理数据 的能力，通过调用 Matlab 中 polyfit 函数来实现对表面温度传感器动态校准实验数据 的拟合，找出红外测温传感器和温度的最佳拟合曲线。温度是表示物体冷热程度的物理量，在科研、日常生活、医疗卫生、工农业生产等 方面有着重要的应用1。 瞬态温度的测量在热工设备、动力机械、火

4、箭发动机、化工容 器、核能工程等领域中占有非常重要的地位。特别是在兵器设计、测试领域中，瞬态高 温涉及到武器寿命，性能评估等方面内容，因此瞬态温度特别是瞬态高温的测量有着重 要的意义。由于温度传感器的热惯性和有限热传导，温度测量特别是瞬态温度测量过程 中，存在严重的动态误差，影响测量的精度。为了研究测试系统动态特性，评定动态误 差程度，必须首先对传感器进行动态校准。通过利用动态校准所得到的数据，用系统辨 识方法建立传感器动态数学模型。利用现有温度传感器测量结果，根据由动态校准数据 所建立的动态数学模型，采用合适的算法反推出所要测量的真实瞬态表面温度。应用 Matlab实现实验数据的处理，在静态

5、标定中拟合出红外测温传感器和温度的最佳拟合曲 线，从而完成对温度传感器的动态标定。利用FFT平滑滤波方法对输入输出数据进行去 噪处理这就是本课题的研究内容和意义。1.2 温度的测量1.2.1 温度的基本概念温度是七个国际单位之一，自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关， 因此温度是工农业生产、科学实验、国防、医疗卫生以及日常生活中需要普遍进行测量 和控制的一个重要物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度只能通过物体随温 度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热

6、力学温标和国际实用温标。1.2.2 温度的测量方法温度测量是通过物体的某些物理性质随温度变化的特征间接测量的。按照所用方法的不同，温度测量分为接触式测温和非接触式测温两大类3。接触式测温膨张式测温 压力式测温 热电阻测温 热电偶测温 热敏电阻测温红外辐射测温 红外热成像测温广光纤辐射测温兄度测温.非接融式测温比色测温红外测温j激光测温图 1.1 温度测量方法1.2.3 瞬态表面温度测量的国内外现状瞬态温度在温度测量中有着重要的应用，愈来愈引起人们的重视。瞬态温度作为热 现象涉及到燃烧、传热等方面，是零件热变形、热应力分析的重要参数，尤其是表面瞬 态温度，它可以反映燃烧过程中的一些重要信息，一些

7、瞬态表面热现象的温度变化十分 剧烈，可以达到每秒近千度甚至更快。由于瞬态温度自身特点，温度高、变化快、测量 条件恶劣，多为不可重复的一次性过程，测量难度较高，其测量存在着一定难度。目前，瞬态温度测量主要采用两类技术，一种是采用传感器接触测温法，另一种是非接触式的测温技术。接触式测温方法，包括直接接触式测温方法和外推法测温4，6。直接接触测温法是把测量温度用的传感器置于被测介质中，使两者直接接触，进行 热交换。根据热力学定律，当两者达到热平衡时，传感器所反映的温度，就是被测介质 的温度。此方法直观可靠，但感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测 量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元

8、件的性能和寿命会产生不利影响。例如， 测量枪炮膛壁温度时，一般选用薄膜式热电偶进行接触式测温。温度外推法基本思想是利用幅度较低、变化较慢的温度根据传热模型及边界条件反 推出幅值很大、变化较快的瞬态温度。只需测试表面内某位置处温度随时间的变化曲线， 其它位置的温度都可以根据传热模型外推出来，此方法不仅可以直接测试某一特定位置 上的温度，而且可以外推出各个面上温度，拓宽了测量温度的范围，降低了对测试仪器 动态性能的要求。非接触式测温方法包括辐射测温、激光测温和红外热成像等技术。这类方法具有测 温上限高、动态响应好、不破坏温度场等优点。但是它也存在一些缺点，如需提供有关 物性参数（比如辐射系数等），

9、测量得到的一般是测量场内的平均温度，在大多数情况 下精确度不如接触式测温方法高7,8， 例如在测量温压弹静爆瞬态温度时，利用红外测 温仪不能测量爆炸内部真实瞬态高温，只能得到爆炸温度场的平均温度。国外在第二次世界大战期间就已经开始研究瞬态温度的测量方法，并取得了一定的 进展。美国采用热电偶测量了 M60式机枪管内膛瞬态表面温度。六十年代，日本研制了 夹板式薄膜热电偶，用于测定内燃机壁内的瞬态温度。Moeller C.E等人利用Mefthem 公司研制的双丝型热电偶对 7.62mm 试验枪膛内、外壁表面温度进行了测量研究，其响 应时间为微秒级。日本冈山大学的 NobuyukiKawahara 利

10、用光纤外差干涉系统，对燃烧 和未燃的气体瞬态温度进行非接触测量，测量精度可达到0.5血。国内也发展了许多方法测量瞬态温度。中国科学院工程热物理研究所与重庆仪表研 究所协作，研制成用于测量发动机壁面瞬态温度的壁面热电偶。西北工业大学也研制了 用于锻模表面瞬态温度测量的薄膜热电偶，其时间常数为50us。北京理工大学近年来也 针对内燃机燃烧室表面瞬态温度测量的需要，研制出同轴型及双丝型薄膜表面温度传感 器。南京理工大学借助专门研制的盲孔测温传感器和瞬态信号采集系统 , 测量得到距 14.5mm机枪身管内壁一定厚度处（xp层等温面）各时刻的温度值a。并利用双谱线原子 发射光谱测温原理，设计了光纤光谱测

11、试系统，对炸药爆轰的瞬态温度进行实时测量， 通过对炸药爆轰光谱的测量，获得了实时瞬态爆轰温度时间分布曲线。中北大学利用 蓝宝石光纤传感器，成功地对某导弹发射箱前框的表面瞬态高温进行了测量，测得温度 为 1465.56C11。瞬态温度测试已从早期的单纯通过改进结构以减小传感器的热惯性，发展到先获取 其动态响应特性，然后进行动态特性补偿来获得真实温度，这样就必须首先设计校准系 统对传感器进行动态校准。2 传感器概述传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术（传感器技术、通信技术和计 算机技术）的三大支柱之一。传感器技术所研究的对象，就是信息采集系统的首要部件 传感器，鉴于传感器的重要性，在20

12、 世纪 80 年代，发达国家对传感器在信息社会 中的作用又有了新的认识和评价，如美国把20 世纪 80 年代看作传感器时代，把传感器 技术列为 20 世纪 90 年代 22 项关键技术之一。日本曾把传感器列为十大技术之首，我 国 863 计划、科技攻关等计划中也把传感器研究放在重要的位置。传感器还是测控系统 获得信息的重要环节，在很大程度上影响和决定了系统的功能。传感器的水平是衡量一 个国家综合经济实力和技术水平的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成 为一个国家科学技术进步的重要标志，正如国外有的专家认为：谁支配了传感器，谁就 支配了目前的新时代。2.1 传感器的特性传感器的特性是指

13、传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性 分为两种：静态特性和动态特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传 感器必需具有良好的静态和动态特性，才能使信号或能量按准确的规律转换。2.1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性指传感器在静态工作状态下的输入输出特性。所谓静态工作状态 是指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也达到相应的稳定值时的工作状态，这 时，输出量仅为输入量的确定函数。传感器的静态特性是通过其静态性能指标表示的。表征传感器静态特性的主要性能 指标有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。传感器的出厂说明书中一般都列有其主要 的静态性能指标的额定数值。借助实验

14、方法确定传感器静态特性的过程称为静态校准。 校准时获得的静态特性称为校准特性。当校准使用的仪器设备有足够高的精度时，工程 上常将校准特性作为传感器的实际特性。在多数情况下，可根据校准数据来合理地选择 理论特性。如果不考虑传感器特性中的迟滞及蠕变等性质时，或者传感器虽然有迟滞及蠕变， 但仅考虑其理想的平均特性时，传感器静态特性在多数情况下可由方程表示，其代数多 项式表示形式为：Y 二 a + ax + a x2 h f a xn(1.1)012n式中 x 传感器的输入量，即被测量；Y表示传感器的理论输出量，其某一实际输出量则用y表示；a ,a ,a是决定特性曲线形状和位置的系数，一般通过传感器的

15、校准试验数据 0 1 n经曲线拟合求出，它们可正可负。实际使用中的大多数传感器，其用代数多项式表示的特性方程的次数并不高，一般不超过四次。2.1.2 传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在动态(快速变化) 的输人信号情况下，要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号 变化的过程。这就要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传 感器要有良好的动态特性2。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应 与它对任意输入信号的响应之

16、间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常 用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应 和频率响应来表示。传感器的动态特性与静态特性的区别是：动态特性中输入量与输出量的关系不是一 个定值，而是时间的函数，它随输入信号的频率而变化。动态特性可以分为稳态响应特 性和瞬态响应特性。稳态响应特性是指传感器在振幅稳定不变的正弦形式非电量的作用下的响应特性。 稳态响应的重要性在于工程上所遇到的各种非电量变化曲线都可以展成傅立叶级数或 进行傅立叶变换，即可以用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。因此，当知道了传感 器对正弦变化的非电量的响应特性，也就可以判断它对各种复

17、杂变化曲线的响应了。瞬态响应特性是指传感器在瞬变的非周期非电量作用下的响应特性.这里所指的非 周期非电量信号主要有阶跃函数、斜坡函数和脉冲函数等。瞬态响应是指传感器从初始 状态到最终状态的响应过程。2.2 表面温度传感器温度传感器是把温度转换为电信号的传感器，用来测量物体表面温度的传感器就被 称为表面温度传感器。2.2.1 表面温度传感器的分类表面温度传感器的种类很多，如表 2.1。按其与被测对象的关系来分，有接触式与 非接触式的；按测温的原理来分，有热电偶表面温度传感器，热电阻温度传感器，辐射 温度传感器，电涡流温度传感器和光纤温度传感器等。表 2.1 温度传感器的种类种类测温 范围/c特点

18、与注意事项执八、 电 偶RH （铂铑-铂铑）1000 16001000c以上使用，11p v/c，可在还原性气体中使 用PR （铂铑-白金）0 1400在1400C以上时，白金变脆，不宜在还原性气体中 使用，14p v/CCA （镍铬-镍 铝锰合金）-100 1000直线性好，低温时灵敏度下降，由于-镍铝锰合金 有磁性，不能用于还原性气体中，40p v/CIC （铁-康铜）200500可在还原性气体中使用，50p v/CCC （铜-康铜）-200300在300C以下，可稳定的使用，43p v/C镍铬-康铜-200600灵敏度最大，非磁性，70p v/C测温 电阻Pt-200600在-18 06

19、30 C的范围中，可作标准（0.36%/C）Ni200400电阻变化率最大，1%/C，非线性大Cu200300直线性好，0.43%/C，电阻值小热敏电阻-50150电阻率变化大，非线性大，在咼温时，其电阻变化 率与测温电阻同，不受导线的影响二极管-200150-2mv/C，简便，灵敏度大IC温度传感器-55150是二端器件，输出电流正比于绝对温度放射温度计200300非接触测温，检出波长能量，若不知放射率就不知 道真实温度光学高温计7003000难以实现自动化，检出单一波长能量二色温度计1003000可与放射率无关地测出灰色物体的温度，不受被测 对象缺陷的影响在上述诸传感器中，又可根据使用的现

20、场情况及要求，设计成各种不同的结构，有 的用于点的温度测量，有的还可用于温场的测量。2.2.2 热电偶表面温度传感器热电偶温度传感器以汤姆森效应或帕尔贴效应为理论基础 ,将温度变化转换为电势 大小的热电式传感器，它是目前接触式测温中应用最广泛的温度传感器,具有结构简单、 制造方便、测温范围宽(-2692800C)、热惯性小、准确度高、输出信号便于远距离 传输等特点,可用于气体、液体、液态金属以及固体表面的温度测量，尤其对于表面温 度的测量。因为热电偶的测点很小，基本上能反映出测点的温度且安装方便，是目前测 量表面温度较为理想的一种测温手段。由于热电偶被广泛应用于工业生产等领域，必须 保证其在各

21、种应用场合测温的准确性，因此，热电偶温度传感器的校准技术将越来越受 到关注。2.2.2.1 热电偶温度传感器测温原理将两种不同的导体A和B连接起来，组成一个闭合回路，即构成感温元件，如图 2.2所示。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势， 因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应12。热 电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为t的被测介质中。 另一端称为参比端或自由端，放于温度为 t0 的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发 生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。AB2.2 热

22、电偶温度传感器其原理表达式为：E (T,T ) 7丨dT = E (T) - E (T )AB 0 AB AB AB 0T0式中：aAB为热电势率或塞贝克系数，其值随热电极材料和两端点的温度而定。热电效应产生的总热电势E (T, T )是由帕尔帖(Peltier)效应产生的接触电势和由 AB 0汤姆逊（Thomson）效应产生的温差电势之和。2.2.2.2 热电偶的种类及结构形成（1）.热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标 准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与 其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用

23、范围或数量级上均不及标准化热电 偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准热电偶按IEC国际 标准生产，并指定 S、R、B、K、N、E、J、T 八种标准热电偶为统一设计型热电偶。表 2.2 热电偶温度传感器的种类种类测温范围/c特点与注意事项执八、电偶RH （铂铑-铂铑）100016001000C以上使用，11p v/C,可在还原性气体中使用PR （铂铑-白金）0 1400在1400 C以上时，白金变脆，不宜在还原性气体中 使用，14p v/CCA （镍铬-镍铝锰合金）-1001000直线性好，低温时灵敏度下降，由于-镍铝锰合金有 磁性，不能用于还原性气体中，40p v/CI

24、C （铁-康铜）200500可在还原性气体中使用，50p v/CCC （铜-康铜）-200300在300C以下，可稳定的使用，43p v/C镍铬-康铜-200600灵敏度最大，非磁性，70p v/C（2）.热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2.3.2.3 热电偶传感器的优点 测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响； 测量范围广：常用的热电偶从-50C到+1600C均可持续测

25、量，某些特殊热电偶 最低可测到-269C(如金铁镍铬)，最高可达+2800C(如钨-铼)； 构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小 和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。3 传感器校准3.1 传感器的标定与校准传感器的标定与校准是传感器技术发展的重要环节，如果没有精确的检测、标定手 段，就无法获得传感器的静态特性和动态特性，也就不可能精确地进行量值的测量，因 此，近些年来，传感器的标定、校准技术有了很大的发展10。利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标 定。任何一种传感器在制造装配后都必须经过标定，建立其输入量与输出量之间的关

26、系 和确定其基本性能，否则它只是一种重复性良好的装置。对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。传感器使用一段时间之后 或经过修理，也必须对其主要技术指标进行校准，以确定其精度与性能是否符合所规定 的要求，必要时应重新进行标定，修正某些指标，以保证传感器的各项性能达到使用的 要求。传感器标定与校准的本质和方法相同，本文以校准进行叙述.3.2 传感器的静态校准传感器的静态校准是指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态 特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的检定。其过程和步骤一般为：(1) 将传感器全量程分成若干等间隔点；(2) 按等间隔点由小到大一点一点地输入标准量值，

27、记录下各输人值对应的输出值；(3) 再按等间隔点由大到小一点一点地输入标准量值，同时记录下对应的输出值。(4) 按 2、3 步所述过程，对传感器进行正、反行程反复多次测试，将得到的输出 输入测试数据用表格列出或画成曲线。(5) 对测试数据进行必要的处理，根据处理结果，可以确定传感器的线性度、灵敏 度、滞后和重复性等静态特性指标。3.3 传感器的动态校准传感器的动态校准主要用于检验、测试传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率响 应和固有频率等。对传感器进行动态校准，需要对它输入一个标准激励信号，标准激励 源有两种，一种是周期性函数，如正弦、三角波信号等，以正弦波信号为常用；另一种 是瞬变函数，如阶

28、跃信号、半正弦波信号等，以阶跃信号为常用。对被校准传感器输入 标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线，由输出曲线与输入标准 激励信号比较可以校准传感器的动态响应时间常数、幅频特性及相频特性等。传感器的动态校准方法有频率域动态校准方法、时间域动态校准方法和相关分析法 等。用变频周期信号直接测出传感器频率特性的校准方法称为频率域动态校准方法；用 时间域动态激励信号测出传感器的瞬态响应的校准方法称为时间域动态校准方法；用伪 随机信号激励被校准传感器，这时的维纳一霍甫(WjenerHopf)方程变为输入、输出互 相关函数，与传感器的脉冲响应成比例，求得输入、输出的互相关函数，使可求出传

29、感 器的脉冲响应，故称为相关分析法。其中频率域和时间域动态校准方法应用十分广泛， 时间域和频率域动态校准的结果应该是相同的，当它们的结果不同时，找出原因，并予 以解决后，两种动态校准的结果便会一致.4 CHAL-010型热电偶温度传感器动态校准系统本课题对CHAL-010型热电偶进行动态校准，CHAL-010型热电偶温度传感器的动态校 准包括静态标定和动态校准两部分，其中静态标定包括CHAL-010型热电偶温度传感器的 静态标定和红外探测器的静态标定。4.1 表面温度传感器的动态校准表面温度传感器的动态校准包括静态标定和动态校准两部分，其中静态标定包括被 校传感器的静态标定和红外探测器的静态标

30、定。(I) 4.1.1 表面温度传感器静态标定系统中的静态标定就是为了确定连续激光加热的被校测温传感器温度与红外探测 器输出电压之间的对应关系，它是动态校准的基准，静标的准确度直接影响着动态校准 修正的准确度，所以是整个系统至关重要的一个环节。4.1.1.1 静态标定的原理其原理思路是这样的：首先要获得测温传感器本身的输入与输出之间的关系即它对 温度的响应电压值与温度之间的关系，然后再获得测温传感器的输出电压值与红外探测 器的响应电压值之间的对应关系，这样二者结合起来即获得温度与红外探测器输出电压 之间的对应关系，从而完成了系统的静态标定。4.1.1.2 静态标定的方案将已静态标定的被校表面温

31、度传感器（热电偶）和碲镉汞红外探测器置于校准系统 中球面反射镜二共轭焦点位置上，使高功率二氧化碳激光器发出一定时间长度的连续激 光通过小孔而照射到被校表面温度传感器的偶极表面上，表面吸收热量后温度上升，且 向内传热，其温度变化情况在记忆示波器的1通道上显示出电压值，（通过这个电压值即 可知其对应的温度值，因为此传感器已被静标过），同时，被校表面温度传感器表面产 生的红外热辐射经球面反射镜聚焦于碲镉汞红外探测器上。红外探测器的输出经前置放 大器及其信号处理电路连到记忆示波器2通道上。这样，当从连接被校表面温度传感器 的记忆示波器的1通道上观察到被校表面温度传感器已达到一平衡温度时，记录下1通道

32、的读数，同时操作连接探测器的记忆示波器的2通道使其处于记忆状态，迅速打开和关 闭一次快门，使红外探测器在快门打开瞬间接收辐射聚焦的信号，同时在记忆示波器 2 通道上记录下所获得的波形（或读其幅值即可）,即得到了该系统在此平衡温度点的输 入与输出的对应电压数据。标定时，欲得到覆盖高温到低温的一组数据，传感器的响应温度应可以改变，我们 是通过调节高功率CO激光器的占空比从而改变激光器的输出功率,来改变传感器的响应2 温度的。在以前的实验中，由于激光输出的功率不稳定，一般我们总是先将温度升至最 高点，然后减小激光器的工作电流，使温度下降，记录每一个温度平衡点。目前我们使 用的高功率CO激光器，输出功

33、率稳定，通过调节控制脉冲的占空比就可调节激光器的输2出功率大小。因此，我们可以选择任一温度平衡点，对系统进行静态标定。习惯上通常 使温度由低到高升高，当达到每一温度平衡点时，同时记录下记忆示波器1通道和2通道 上的波形幅值（电压幅值），从而就得到了一组静标数据。记忆示波器2通道在打开快门瞬间所记下的波形如图4.1所示。图4.1 红外探测器静标典型波形由于被校准的传感器已经实现了静态标定，根据它的分度表可以查得在每个温度平 衡点通道1输出电压所对应的温度，从而得到红外探测器输出电压所对应的温度的一组 静标数据，通过曲线拟合最终得到红外探测器的静标曲线。4.1.2 表面温度传感器动态校准4.1.2

34、.1 动态校准原理用一高功率CO2激光器输出脉冲激光，瞬时加热被校传感器，脉冲激光产生的热量 被被校传感器表面吸收，且向内传热。被校传感器响应到表面处的温度变化，经前置放 大器放大处理后，由记忆示波器记录。同时被校传感器温度升高产生红外热辐射，经球 面反射镜2聚焦成像，由碲镉汞红外探测器探测到表面温度变化，经前置放大器放大处 理后，在记忆示波器上同时记录下来。（求这二温度变化曲线傅氏变化的比值就得到了 被校传感器的传递函数即动态特性，可以用于对被校准传感器作一定程度的动态校准。） 由于红外探测器的频响特性远优于被校传感器, 可将红外探测器的响应作为被校传感 器的输入信号, 而被校传感器的响应曲

35、线作为输出信号, 以前者来校准后者的动态响 应特性。4.1.2.2 动态校准方法如图4.2所示，被校准传感器得到阶跃温升，输出电压时间曲线，由被校准传感器 分度曲线得到温度时间曲线；此阶跃温升由红外系统汇聚同时被红外探测器探测，输 出电压时间曲线，由红外探测器静标曲线得到温度时间曲线22。由于红外探测器系 统的频率响应远优于被校准传感器系统，因此可由红外探测器系统的输出来校准被校准传感器的输出4.2 CHAL-010 型热电偶温度传感器动态校准系统的设计方案CHAL-010 型热电偶传感器温度测量校准的设计方案：借助脉冲激光使表面产生阶跃 温升，同时以被校准的传感器和碲镉汞红外探测器对此热源进

36、行测量对比，由于后者的 频率响应特性优于前者，因此可以以后者所得曲线作为真值来校准前者的频率响应并获 取系统误差的修正值。系统的原理框图 4.3 如1高功率C02激光器2球面反射镜3 碲镉汞红外探测器4 热隔离器5 快门6 热电偶传感器前置放大器 8 记忆示波器 9 电磁屏蔽室10 平面反射镜 11 凹面反射镜图 4.3 动态校准系统的原理框图4.2.1 CHAL-010型热电偶温度传感器的静态标定为了确定连续激光加热的被校测温传感器温度与红外探测器输出电压之间的对应 关系，必需要先对CHAL-010型热电偶和红外探测器进行静态标定，因为静态标定目的是 为了确定静态测试系统的输入与输出之间的对

37、应关系。它是动态校准基准，是整个动态 校准的关键环节。首先，按标准要求利用恒温炉对CHAL-010型热电偶传感器进行静态标定，在恒温炉 中用标准热电偶校准被校传感器，得出被校传感器的温度电压（T V）曲线。然后将已 校准的CHAL-010型热电偶传感器和红外探测器分别置于球面反射镜的二共轭焦点处，使 得高功率CO激光器发出一定时间长度的连续激光通过小孔而照射到CHAL-010型热电偶2 传感器表面上，表面吸收热量后温度上升，且向内传热，其温度变化情况在示波器上显 示出电压值（通过这个电压值即可知其对应的温度值），同时，CHAL-010型热电偶传感 器表面产生的红外热辐射经球面反射镜聚焦于碲镉汞

38、红外探测器上。当达到热平衡时 ， 迅速打开和关闭快门，使红外探测器在快门打开瞬间接收辐射聚焦的信号，可得出辐射 温度计的温度电压（TV）曲线。即实现了对红外探测器的静态校准。4.2.2 CHAL-010型热电偶温度传感器的动态校准用高功率CO激光器发出脉冲激光，加热CHAL-010型热电偶传感器，产生阶跃温升，2同时碲镉汞红外探测器探测至UCHAL-010型热电偶传感器的表面温度，由记忆示波器记录 两者的输出曲线，最终实现CHAL-010型热电偶传感器的动态校准丽。被校CHAL-010型热电偶传感器和碲镉汞红外探测器是对称放置在作为聚焦系统的 球面反射镜两个主轴共轭焦点上。为避免两者之间的直接

39、辐射热传递，加入一个隔热器 件。反射镜经过抛光精加工且镀上金属膜如金、银、铝，可以提高对红外辐射的反射率。 另外反射镜孔径要保证一个不小于3sr的有效光收集固定角度。已有研究表明：用球面 反射镜作聚焦系统其共轭成像效果比较理想，过去曾采用过是一接收近于球面的旋转椭 球面，但是采用球面反射镜聚焦特性将会更好。从理论上讲椭球面聚焦特性最好，但是 其加工难度很大，如果加工的精度不高会引起很大的像差，同时其聚焦性也会受到影响。 而加工相对简单，符合一定条件的球面反射镜的反射效果也比较理想，使用球面反射镜 对提高CHAL-010型热电偶传感器动态校准系统的灵敏度和信噪比以及校准的精度十分 有意义。考虑到

40、红外探测器受常时间热辐射会被损坏，因此在探测器前面安装了一快门，它 通常处于关闭状态，以保护红外探测器。为了充分利用CO2激光器的能量，安装平面反 射镜10和凹面反射镜11对激光器的能量进行汇聚，最终输入到CHAL-010型热电偶传感 器。为减少来自激光电源和其它电磁装置对信号调节电路和记录仪器的外来干扰，采取 了以下措施：热电偶的前置放大器及红外探测器的恒流偏置电压放大电路及数字存储示 波器均采用电池供电，而且将整个电路装入屏蔽盒内；将校准系统(除激光器以外)用 大的电磁屏蔽室屏蔽并良好接地，保证了动态校准的精度。CHAL-010型热电偶温度传感器的动态校准的数据处理在第5章节里。5 表面温

41、度传感器动态校准数据的处理5.1 基于 origin 的去噪由于实验所得的波形存在很大的噪声，故需要对获得的数据进行去噪处理。动态校 准数据采样频率为1000Hz，共计录2500个点。选择origin软件进行平滑滤波处理，采 用的是十阶FFT (Fast Fourier Transforms )滤波器平滑方法。这种方法是对数据做 FFT，去除频率高于1/n 的高频成分，达到平滑的目的，其中n是某时FFT的数据 点数，At是相邻两个数据点之间的时间间隔。图5.15.3是平滑滤波后的曲线。5.1 平滑滤波后热电偶输出温度曲线5.2 平滑滤波后红外探测器的输出温度曲线红夕淋测齣入00.2时间t-0.

42、1Q - 悝唄 200 -0.0400 -300 -热电偶输岀100 -5.3 红外探测器输入-热电偶输出5.2基于Mat lab的数据曲线拟合MATLAB 是由美国 Mathworks 公司发布的、面向科学计算、数据可视化以及交互程 序设计的高级技术计算语言。随着商业软件的推广,MATLAB不断升级。如今MATLAB已经 把工具箱功能延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域。在国外,MATLAB已经成为数值 分析、数理统计、系统识别、信号处理、动态仿真等领域的基本工具。5.2.1 曲线拟合的最小二乘法原理试验数据的正确处理，关系到是否能达到试验目的，得出明确结论。传统的数据处 理方法，很难得到一

43、条很好地适应所有点的曲线，同时也无法估计所得曲线的精度，由 此所确定的特征值就可能有较大的误差，且没有建立起由这些点构成曲线的数学模型， 直接影响利用数学方法进行解析分析。在进行试验数据的分析时，通常可采用曲线拟合 法，曲线拟合方法的目的是寻找一条光滑曲线，他在某种准则下最佳地拟合数据。常用 的曲线拟合方法有最小二乘法、契比雪夫法及插值法等。曲线拟合问题是指 ：已知 N+1 个点(X,Y), i=0, 1, 2，n，其中X互不相同，寻求函数f(x),使f(x )与所有的i i i 数据点最接近。也可称为数据的平滑问题。曲线拟合最常用的方法是线性最小二乘法，其基本的思路是：f(x) = k (x

44、)其中:iii=0k (x)是事先选定的一组函数；a是待定系数，(i=0,mn)。寻求a， al，1 io l%，a使得J=艺(f (x ) - y )2最小，即称为最小二乘法准则。当选取f(x)=a+aX2 m i i 1i=0称为线性拟合.f(x)=a +a x+a2X2+a xm称为多项式拟合.在某些场合下可采用解线性方 o l 2 m程组来求曲线拟合。以多项式拟合为例，选取f(x)= ao+aix+a2x2+amxm，已知数据(X,Y), i =0, 1, 2,，n ,将(X,Y)依次代入上述多项式得到如下线性方程组.Sa xk，i ii ik ik=0i =0, 1, 2,，n ,其

45、中a为变量，其矩阵矢量表示为.kr1XflK/* rN % 1工工X * * * *甲 -A.1応:x/ .一d m-亠 -可记作RA=Y，求解以上线性方程组可得ak。5.2.2 曲线拟合在Matlab中，利用函数polyfi求解最小二乘曲线拟合问题。通过调用polyfit函数 来完成热电偶静态、动态校准数据的多项式拟合与回归。5.2.2.1 CHAL-010 型热电偶的静态校准在表面温度传感器动态校准实验装置中CO激光器的输出脉冲设置为：脉宽20ps, 周期8000ps,当连续输出此脉冲一段时间后，热电偶输出电压幅值稳定，记录此时的 电压幅值,打开快门就可以得到红外探测器对应的输出电压。然后

46、调节激光器的脉宽设 置,待再次稳定后记录电压幅值并打开快门获得其红外探测器对应的输出电压。如此继 续,就可以获得一段温度范围内的热电偶的静态校准数据,如表5.1即为实验获得的一 组静态校准数据表，图5.4为用matlab软件对其电压-温度(V-T)数据的最小二乘拟 合曲线效果图。表5.1 CHAL-010型热电偶静态校准数据表热电势修正值/mv查分度表对应温度/ C红外探测器对应幅值/V7.9791960.1049.1312250.12610.0662480.18210.9372690.25412.0232960.34812.9743190.47613.9873430.62415.182371

47、0.8416.1473941.0417.3174221.418.4694491.5619.4914731.6419.8614821.8221.0945111.9421.7295262.322.1495352.4622.4895432.7423.4895673.4424.1675833.8425.036034.28I*IIIIIII200250300350400450500550600650700温度FU图 5.4 CHAL-010 热电偶静态校准数据拟合曲线5.2.2.2 CHAL-010 型热电偶的动态校准瞬态表面温度传感器动态校准系统对CHAL-010型热电偶的动态校准的波形如图5.5 所

48、示，通道1为热电偶输出波形，通道2为红外探测器输出波形，通道3为激光输出时间 控制脉冲波形。进行动态校准实验，通过示波器波形数据记录可知，某次热电偶输出幅 值为3.2mv，修正后(参考端温度12C )幅值为3.677mv,查K型热电偶的分度表得对应 温度为90C。由matlab软件对静态校准温度-电压(T-V)数据进行最小二乘拟合，具体 的拟合阶数根据拟合效果而定，本次实验数据在3次拟合时效果最好，拟合后得到的温 度和红外探测器的电压函数关系式为：T=6.7016V3- 62.8692V2+252.1276V+199.1268.将 红外探测器的输出幅值280mV代入拟合曲线，如图5.6所示，获

49、得热电偶表面真实温度为 约 264.9C。CURSORCH2关闭信瀬图5.5 CHAL-010型热电偶的动态校准的波形图5.6温度T-红外探测器电压由此可知热电偶所测温度（90C ）与其表面真实温度（264.9）存在差别，即产生了所谓的动态响应误差，需要对该热电偶进行动态修正，温度修正值由以下公式计算 得出：t = t -t（4.19）实被t 以红外探测器测出的温度值为真实温度值； t 被校准热电偶所测温度值。 实被将实验数值t = 264.9 C及t = 90 C代入公式（4.19）可得At =174.9C，这样就可利 实被用动态温度修正值At对该热电偶的动态测温结果进行修正，使之更接近于真

50、实的温度信号，下两表 5.2 为静态校准后的动态校准数据。表 5.2 静态校准后的动态校准数据脉冲设置热偶幅值/mv对应温度/C红外幅值/v对应温度/c动态测温误差/c160, 400； 10ms1.8450.1342311861.8450.150235.6190.6160, 400； 20ms4980.1922451474980.152235.6137.64980.156237.9139.93.8930.188244.8151.8200, 400； 10ms1.8450.152235.6190.6200, 400； 20ms3.8930.184242.5149.54980.224251.61

51、53.6200, 400； 30ms6.21520.264260.5108.56.21520.240256.1104.1500, 1000； 10ms1.6400.144234.4194.4500, 1000； 20ms4980.224252.4154.4500, 1000； 30ms5.21270.336275.5148.5500, 1000； 40ms6.41570.368282.5125.5500, 1000； 50ms8.82170.36028265500, 1000； 70ms122950.312271-246 总结通过 Matlab 的拟合和 origin 中 FFT 的平滑滤波功

52、能，很好的实现了对数据的处理。 根据拟合后的曲线完成了对红外探测器的静态标定和热电偶的动态校准，利用 FFT 的平 滑功能实现了对红外探测器与热电偶输出的平滑滤波，减少了噪声对热电偶动态校准的 影响。根据实验中Matlab对曲线的拟合和origin中FFT的平滑滤波功能的运用，可以 看到Mat lab软件具有较好的拟合效果，能够完成对数据的拟合。Origin软件中FFT的 平滑滤波功能使用简单方便，能很容易的实现对数据的去噪，完成热电偶的动态校准。参考文献1 Johnston J. S. Editorial in special issues on temperatureJ. Measurem

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