一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量装置的制作方法

1.本申请涉及岩土工程检测技术领域，具体涉及一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量装置。


背景技术：

2.振弦式仪器通常应用于岩土工程的安全监测中，用于监测岩土工程的应力、温度、渗压和渗流等物理量，用以研判岩土工程的安全。热敏电阻内置在振弦式仪器内部，热敏电阻对仪器外部的温度敏感，热敏电阻阻值和温度存在一定的线性转换关系，温度的变化必将引起阻值的变化，因此只要测量热敏电阻的阻值，再根据转换关系就可以得出当前仪器外部的温度值。
3.在研判岩土工程的安全性中，对测量数据的准确性有很高的要求，温度的测量结果精确与否将直接影响到振弦式仪器的应力、渗压和渗流的计算结果。但在实际测量时由于热敏电阻的阻值跨度大，常规的电阻测量装置精度低，因此无法满足大跨度电阻高精度测量的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量装置，克服振弦式仪器的内置热敏电阻阻值跨度大导致测量精度低的问题，同时保证振弦式仪器在频率测量时刻的测量温度值的可靠性。
5.本发明采用的技术方案是：一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量装置，包括内置热敏电阻、标称电阻、电压测量装置、电阻温度转换装置和恒压电源；所述标称电阻、内置热敏电阻和恒压电源依次串联成闭合回路；所述电压测量装置并联在所述标称电阻两端，所述电阻温度转换装置与所述电压测量装置电路连接。
6.进一步地，所述内置热敏电阻为ntc热敏电阻。
7.进一步地，所述ntc热敏电阻的电阻温度变化遵循特性公式：
[0008][0009]
其中，rt为内置热敏电阻的电阻值，t为内置热敏电阻的温度值；lnrt为内置热敏电阻的电阻值自然对数，a、b、c为内置热敏电阻出厂时自带的转换系数。
[0010]
进一步地，所述标称电阻为高精度低温漂的金属膜电阻。
[0011]
进一步地，所述电压测量装置为24位的高精度电压测量装置。
[0012]
进一步地，所述电压转换装置为高精度电压采集芯片，所述电阻温度转换装置为电阻温度转换芯片；所述电压测量装置的ch0和ch1引脚分别接在标称电阻两端，通信引脚sclk、miso、mosi和cs分别与电阻温度转换装置的sclk、mosi、miso和cs引脚连接。
[0013]
本发明采取的另一技术方案是：一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量方法，通过差分测量法和高精度采集元件测量振弦式仪器在频率测量时内置热敏电阻的电
阻值，再结合内置热敏电阻的电阻温度特性，得到采集时刻的温度值，实现振弦式仪器的内置热敏电阻温度高精度测量。
[0014]
进一步地，所述差分测量法的具体步骤为：将标称电阻、内置热敏电阻和恒压电源依次串联成闭合回路；将电压测量装置并联在所述标称电阻两端，并将所述电压测量装置与电阻温度转换装置连接；通过所述电压测量装置测得标称电阻的电压值，根据公式uac＝uab+ubc得出内置热敏电阻的电压值，进而通过所述电阻温度转换装置计算得到内置热敏电阻的电阻值；其中uac为恒压电源电压值，uab为标称电阻的电压值，ubc为内置热敏电阻的电压值。
[0015]
进一步地，计算所述内置热敏电阻的电阻值rt的具体公式为：
[0016]
rt＝((uac
‑
uab)*ro)/uab
[0017]
其中，uac为恒压电源电压值，uab为标称电阻的电压值，ubc为内置热敏电阻的电压值，ro为标称电阻的电阻值。
[0018]
进一步地，所述内置热敏电阻的电阻温度变化遵循特性公式：
[0019][0020]
其中，rt为内置热敏电阻的电阻值，t为内置热敏电阻的温度值；lnrt为内置热敏电阻的电阻值自然对数，a、b、c为内置热敏电阻出厂时自带的转换系数。
[0021]
本发明的有益效果在于：通过差分测量法对电压值进行测量，排除测量时的共模信号干扰，易于识别小信号和处理“双极”信号，排除“地”的精确性对电压值的影响；同时还对外部电磁干扰(emi)具有高度免疫性；采用高精度24位的电压测量装置，结合差分测量法，可提高测量结果的准确性，满足岩土工程对安全监测仪器测量温度的高精度的要求。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0023]
图1为本发明实施例的结构示意图。
[0024]
图2为本发明实施例差分测量法的原理图。
[0025]
图3为本发明实施例的温度测量装置电路连接图。
[0026]
附图标记解释：1.恒压源、2.电压测量装置、3.电阻温度转换装置、4.标称电阻、5.内置热敏电阻。
具体实施方式
[0027]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
[0028]
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有
一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
[0029]
如图1～图3所示，一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量装置，包括内置热敏电阻5、标称电阻4、电压测量装置2、电阻温度转换装置3和恒压电源1；所述标称电阻4、内置热敏电阻5和恒压电源1依次串联成闭合回路；所述电压测量装置2并联在所述标称电阻4两端，所述电阻温度转换装置3与所述电压测量装置2电路连接。
[0030]
在本发明实施例中，所述内置热敏电阻5为ntc热敏电阻，所述ntc热敏电阻的电阻温度变化遵循特性公式：
[0031][0032]
其中，rt为内置热敏电阻5的电阻值，t为内置热敏电阻5的温度值；lnrt为内置热敏电阻5的电阻值自然对数，a、b、c为内置热敏电阻5出厂时自带的转换系数。
[0033]
所述标称电阻4为高精度低温漂的金属膜电阻，阻值为10000.00ω，精度为0.05％。所述电压测量装置2为24位的高精度电压测量装置，具体采用高精度电压采集芯片，型号ads1255。所述电阻温度转换装置3为电阻温度转换芯片，型号stm32f103vct6。所述恒压源5型号为adr441brz，电压值为2.5v。所述电压测量装置2的ch0和ch1引脚分别接在标称电阻4两端，通信引脚sclk、miso、mosi和cs分别与电阻温度转换装置3的sclk、mosi、miso和cs引脚连接。
[0034]
本发明实施例采用的测量方法是一种高精度振弦式仪器内置热敏电阻的温度测量方法，通过差分测量法和高精度采集元件测量振弦式仪器在频率测量时内置热敏电阻5的电阻值，再结合内置热敏电阻5的电阻温度特性，得到采集时刻的温度值，实现振弦式仪器的内置热敏电阻5温度高精度测量。
[0035]
所述差分测量法的具体步骤为：将标称电阻4、内置热敏电阻5和恒压电源1依次串联成闭合回路；将电压测量装置2并联在所述标称电阻阻ro两端，并将所述电压测量装置2与电阻温度转换装置3连接；通过所述电压测量装置2测得标称电阻4的电压值，根据公式uac＝uab+ubc得出内置热敏电阻5的电压值，进而通过电阻温度转换装置3计算得到内置热敏电阻5的电阻值；其中uac为恒压电源1电压值，uab为标称电阻4的电压值，ubc为内置热敏电阻5的电压值。
[0036]
计算所述内置热敏电阻5的电阻值rt的具体公式为：
[0037]
rt＝((uac
‑
uab)*ro)/uab
[0038]
其中，uac为恒压电源1电压值，uab为标称电阻4的电压值，ubc为内置热敏电阻5的电压值，ro为标称电阻4的电阻值。
[0039]
本发明实施例的工作原理为，根据基尔霍夫电压定律：
[0040]
uac＝uab+ubc
ꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
其中uac为恒压电源1电压值，uab为标称电阻4的电压值，ubc为内置热敏电阻5的
电压值。
[0042]
i＝i1＝i2
ꢀꢀꢀ
(2)
[0043]
i1＝uab/ro
ꢀꢀꢀ
(3)
[0044]
i2＝ubc/rt
ꢀꢀꢀ
(4)
[0045]
i＝uac/(ro+rt)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0046]
其中i为流经恒压电源1电流值，i1为流经标称电阻4的电流值，i2为流经内置热敏电阻5的电流值，，ro为标称电阻4的电阻值，rt为内置热敏电阻5的电阻值。
[0047]
由式(2)
‑
式(3)
‑
式(5)可得式(6)
[0048]
uab/ro＝uac/(ro+rt)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0049]
由式(4)
‑
式(6)可得式(7)
[0050]
rt＝((uac
‑
uab)*ro)/uab
ꢀꢀꢀ
(7)
[0051]
由于ro和uac是已知的，在获得uab的测量值之后，由式(7)就能获得rt的数值，通过计算即可获得振弦式传感器当前测量时刻的外部温度。
[0052]
通过差分测量法对电压值进行测量，可排除测量时的共模信号干扰，易于识别小信号和处理“双极”信号。在一个以“地”做基准，只具有一个信号源的系统里，测量信号的精确值依赖系统内“地”的一致性。信号源和信号接收器距离越远他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。通过差分测量法对信号进行处理，可排除“地”的精确性对电压值的影响。同时差分测量法还对外部电磁干扰(emi)具有高度免疫性，进一步保障电压值测量的准确性；采用高精度24位的电压测量装置2，结合差分测量法，可提高测量结果的准确性，满足岩土工程对安全监测仪器测量温度的高精度的要求。
[0053]
为检验测量精度，用一个精度为0.01％，阻值为20000.00ω的金属膜电阻替代内置热敏电阻5。已知ro＝10000.00ω，uac＝2.5v，内置热敏电阻5出厂时自带的转换系数分别为a＝1.3997e
‑3，b＝2.3782e
‑4，c＝9.6654e
‑8。使用电压测量装置2测量后得到电压uab＝833254.555852μv，根据公式(7)可计算出所述金属膜电阻经差分测量法得到的电阻值为20002.85627ω。
[0054]
根据公式可得所述金属膜电阻温度的实际测量值为
‑
13.333166℃。
[0055]
将所述金属膜电阻的电阻值20000.00ω代入公式可得所述金属膜电阻温度的理论计算值为
‑
13.330771℃。经过比对温度t的实际测量值和理论计算值，可得出温度t的绝对误差为0.002395℃。
[0056]
表1为采用上述方法连续测量20次的测量结果统计表，从表1中可以看出，每次测量结果的温度误差值均在小数值后三位以内，远远小于《dl/t 1134
‑
2009》标准里面规定的不大于0.5℃的要求，可满足岩土工程对安全监测仪器测量温度的高精度的要求。
[0057]
表1测量结果统计表
[0058]
序号电压值(μv)温度值(℃)热敏电阻阻值(ω)1833283.1661
‑
13.33239520001.806133833251.5756
‑
13.33283820002.29972
4833251.5756
‑
13.33283820002.299725833253.3638
‑
13.33306920002.557266833253.9598
‑
13.33308920002.578727833253.9598
‑
13.33310820002.600188833253.9598
‑
13.33312720002.621649833253.9598
‑
13.33314620002.643110833253.9598
‑
13.33314620002.643111833253.9598
‑
13.33316620002.8562712833254.5559
‑
13.33316620002.6645713833254.5559
‑
13.33316620002.6645714833254.5559
‑
13.33316620002.6645715833255.1519
‑
13.33318520002.6860316833255.1519
‑
13.33318520002.6860317833255.1519
‑
13.33318520002.6860318833255.1519
‑
13.33318520002.6860319833255.1519
‑
13.33320420002.7074920833255.1519
‑
13.33320420002.70749
[0059]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。