一种高精度数字温度传感器批量测试系统及其测试方法与流程

1.本发明涉及高精度数字温度传感器测试技术领域，具体涉及一种高精度数字温度传感器批量测试系统及其测试方法。


背景技术：

2.现在大量的工业过程控制、汽车电子、航空航天等应用中，需要对系统或环境温度进行准确测量和控制；需要对系统工作温度进行精确测量，并根据测量结果对相应电参数进行补偿。更高精度的电子系统内部甚至集成温度控制环路，使系统始终工作在恒温环境。因此，高精度数字温度传感器越来越重要，并在其中发挥着重要的作用。
3.目前常用的温度测量方案有热敏电阻、工业铂电阻、数字温度传感器等。其中热敏电阻和工业铂电阻在使用过程中对处理电路的精度和稳定性要求高、系统设计复杂、成本高昂。数字温度传感器集成了完善的传感器、测量电路和数字处理电路，可通过标准数字接口直接输出最终测量结果，具有使用方便、系统结构简单、成本低廉等优点，但通常数字温度传感器测温精度较热敏电阻和工业铂电阻方案差。高精度数字温度传感器通过内部校准设计有效提升了自身温度测量精度，结合了热敏电阻和工业铂电阻方案和普通数字温度传感器的特点，高精度数字温度传感器具有精度高、使用便捷、成本低廉等优点，具有广阔应用前景。但同时这也给高精度数字温度传感器的批量生产也提出了考验。
4.制造生产高精度数字温度传感器，必须在出厂前经过准确的测试筛选，随着各种高精度电子系统对温度测量精度指标的需求快速提高，高精度温度测量器件的市场需求快速增长。高精度数字温度传感器因其精度高、系统结构简单等特点得到广泛应用。但现有的数字温度传感器测试评估及量产测试在测试精度和效率方面已成为制约数字温度传感器发展的主要瓶颈之一。数字温度传感器的测试需要提供更高精度且稳定的温度环境，并能准确的测试，这也给高精度数字温度传感器的批量生产也提出了考验。


技术实现要素：

5.为了在稳定可靠的同时可以对高精度温度传感器进行批量测试，本发明提出一种高精度数字温度传感器批量测试系统及其测试方法，所述批量测试系统包括高低温试验箱、测试母板、pt100测试模板以及pc上位机，高低温试验箱包括测试负载板以及安装在测试负载板上的多个恒温测试装置；测试母板包括通道扩展和选通单元、通信控制和切换单元以及数据通信和读取单元，pc上位机包括rs232控制模块、usb控制模块以及gpib控制模块，其中：
6.每个恒温测试装置用于为待测试的高精度数字温度传感器提供恒温环境，与待测试的高精度数字温度传感器充分贴合设置有一个用于测量待测试的高精度数字温度传感器的温度误差的校准后的a级铂电阻pt100传感器；
7.通道扩展和选通单元用于与每个恒温测试装置连接并对每个恒温测试装置进行通道扩展和通道选择；
8.通信控制和切换单元用于对测试负载板中所有电路进行通信控制和切换；
9.数据通信和读取单元用于对测试负载板中所有电路的数据写入和数据采集分别进行通讯和读取；
10.pt100测试模块与通道扩展和选通单元连接，用于对恒温测试装置进行四线制测试；
11.rs232控制模块，用于通过rs232协议对高低温试验箱进行温度程控，并将回读温度在上位机显示；
12.usb控制模块，用于通过i2c总线协议和测试母板进行通讯，并将回读回来的寄存器的值进行上位机显示；
13.gpib控制模块，通过gpib接口协议来程控pt100测试模块的精度；通过gpib接口协议来程控电源，使电源产生不同的电压并为测试母板和测试负载板供电。
14.本发明还提供一种高精度数字温度传感器批量测试系统的测试方法，利用前述任一项一种高精度数字温度传感器批量测试系统进行高精度数字温度传感器的批量测试，测试过程包括安装阶段和测试阶段，具体包括以下步骤：
15.在安装阶段，将待测试的高精度数字温度传感器放置在恒温测试装置内，再将校正后的a级铂电阻pt100传感器放置在待测试的高精度数字温度传感器上，使用保温材料将各个恒温测试装置进行密封处理，处理完后将测试负载板放置在高低温试验箱内；
16.将测试母板和测试负载板用排线进行连接，将pt100测试模块和测试母板用四线制进行连接；
17.将pt100测试模块、电源和pc上位机的gpib控制模块进行连接，将测试模板和pc上位机的usb控制模块进行连接，将高低温试验箱和pc上位机的rs232控制模块进行连接；
18.进入测试阶段，通过rs232控制模块对高低温试验箱进行程控，设置相应的箱体环境温度；通过usb控制模块和i2c总线上的高精度数字温度传感器进行通信；通过gpib控制模块程控电源的电压和限流；通过gpib接口协议来程控pt100测试模块精度，并通过pt100测试模块读取待测试铂电阻pt100的值，并记录下回读的数据；
19.通过i2c总线完成待测器件配置，对所有恒温测试装置里面的高精度数字温度传感器进行通信控制并对i2c串行总线接口进行切换；通过i2c串行总线接口对所有恒温测试装置里面的高精度数字温度传感器进行数据通信和寄存器初始化配置；
20.检测usb总线数据，进入循环等待usb总线测试指令，如果测试指令到来，即启动指定器件温度转换，通过i2c串行总线接口对指定恒温测试装置里面的高精度数字温度传感器进行寄存器配置，开启器件温度转换功能；
21.读取结果并通过usb总线回传，当接收到测试指令后，根据指令内容对指定待测的高精度数字温度传感器进行温度转换，然后将高精度数字温度传感器温度转换回读的结果实时上传至pc上位机，pc上位机记录好待测的高精度数字温度传感器的测试结果和对应数据，完成测试。
22.本发明具有高精度温度传感器在线监测能力和多芯测试能力，可有效提升数字温度传感器的测试精度并提高生产效率，降低生产成本。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.1、本高精度数字温度传感器批量测试系统具有成本低，操作简便，测试精度高，生
产效率高，筛选成本较低等特点；
24.2、本发明在数字温度传感器电路测试中使用恒温腔体提升测试精度。测试温度传感器中温度相关的参数时，最关键的是实现一个精确的温度条件，本发明采用校准后的a级铂电阻pt100实时测试数字温度传感器所处的温度，使用一个恒温腔体保证被它们处于同一个温度条件下。高低温试验箱采用气体介质调节温度，腔体内温度控制范围大。
25.3、本发明使用高低温试验箱结合恒温腔体的方法，测试效率高。与使用液体介质的恒温槽相比，高低温箱内腔体积大，能同时测试很多只电路，提升了数字温度传感器的量产测试效率，结合小恒温腔体实现高测试精度。
26.4、本发明量产测试兼顾测试效率和测试精度两方面情况。该发明实现常温和高温测试精度提高到
±
0.02℃以内，低温测试精度提高到
±
0.045℃以内。
27.5、本发明降低成本。采用液体介质的恒温槽操作复杂，维护成本高。此发明使用高低温试验箱、万用表等常规设备，设备使用成本显著降低，可推广使用。
附图说明
28.图1为本发明实施例1提供的高精度数字温度传感器批量测试系统框图；
29.图2为本发明实施例1提供的高精度数字温度传感器批量测试系统铂电阻pt100的校准方法；
30.图3为本发明实施例1提供的高精度数字温度传感器批量测试系统四线制铂电阻测温原理图；
31.图4为本发明实施例1提供的高精度数字温度传感器批量测试系统恒温测试装置的结构示意图；
32.图5为本发明实施例1提供的高精度数字温度传感器批量测试系统的恒温测试装置内部的基座的结构示意图；
33.图6为本发明实施例1提供的高精度数字温度传感器批量测试系统的测试流程图；
34.其中，1、固定底座；2、金属底座；3、导向台；4、铜制散热基座；5、带孔金属板；6、高精度数字传感器。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明提出一种高精度数字温度传感器批量测试系统及其测试方法，所述批量测试系统包括高低温试验箱、测试母板、pt100测试模板以及pc上位机，高低温试验箱包括测试负载板以及安装在测试负载板上的多个恒温测试装置；测试母板包括通道扩展和选通单元、通信控制和切换单元以及数据通信和读取单元，pc上位机包括rs232控制模块、usb控制模块以及gpib控制模块，其中：
37.每个恒温测试装置用于为待测试的高精度数字温度传感器提供恒温环境，与待测试的高精度数字温度传感器充分贴合设置有一个用于测量待测试的高精度数字温度传感
器的温度误差的校准后的a级铂电阻pt100传感器；
38.通道扩展和选通单元用于与每个恒温测试装置连接并对每个恒温测试装置进行通道扩展和通道选择；
39.通信控制和切换单元用于对测试负载板中所有电路进行通信控制和切换；
40.数据通信和读取单元用于对测试负载板中所有电路的数据写入和数据采集分别进行通讯和读取；
41.pt100测试模块与通道扩展和选通单元连接，用于对恒温测试装置进行四线制测试；
42.rs232控制模块，用于通过rs232协议对高低温试验箱进行温度程控，并将回读温度在上位机显示；
43.usb控制模块，用于通过i2c总线协议和测试母板进行通讯，并将回读回来的寄存器的值进行上位机显示；
44.gpib控制模块，通过gpib接口协议来程控pt100测试模块的精度；通过gpib接口协议来程控电源，使电源产生不同的电压并为测试母板和测试负载板供电。
45.实施例1
46.如图1所示，一种高精度数字温度传感器批量测试系统包括电源、高低温试验箱、测试负载板、测试母板、pt100测试模块、pc上位机。其中：
47.①
电源，用于给测试母板和测试负载板提供电源，并采用gpib进行程控电压和限流，程控电源采用it6332b型多功能电源，最大输出电压30v，最大输出电流6a，满足测量系统的要求；
48.②
高低温试验箱，用于提供高低温的试验环境，并采用rs232进行程控试验的温度，高低温试验箱使用四达sdk701f型高低温试验箱，该试验箱温度控制范围-70℃～+150℃，内腔宽度60cm，满足批量测量系统的要求；
49.③
测试负载板，用于放置待测试的电路，待测试的电路将放置在密闭的恒温测试装置中，其中这恒温装置中还将放置高精度的a级铂电阻pt100。其特征在于，包括:
50.校准后a级铂电阻pt100传感器(以下简称pt100)，采用充分贴合高精度数字温度传感器的测试方式，测量温度传感器的温度误差；
51.高精度数字温度传感器(以下简称dut)，采用i2c总线协议进行寄存器配置和读写，同时可以对dut的外部温度和内部温度进行感应和测试；
52.恒温测试装置，为dut提供一个稳定恒温的测试环境，并对dut固定且与测试负载板进行电气连接，同时保证铂电阻pt100和dut能够进行充分的接触，使得在恒温装置里铂电阻pt100和dut的温度一致。
53.④
测试母板，用于对测试负载板中所有的铂电阻pt100进行连接和通道扩展，并对各个铂电阻pt100进行选通。同时对测试负载板中所有电路进行通信控制和切换，对数据写入和数据采集分别进行通讯和读取。其特征在于，包括:
54.通道扩展和选通，对所有恒温测试装置里面的铂电阻pt100进行通道间扩展，并对即将测试的铂电阻pt100进行选通；
55.通信控制和切换，对所有恒温测试装置里面的dut进行通信控制和对i2c串行总线接口进行切换，这里选用stm32f407型单片机来实现，stm32f407内置3个i2c串行总线接口，
使用1片tca9548a为8通道的i2c切换器，可将stm32f407的3个i2c通道扩展至10通道，最大通信速率400khz；
56.数据通信和读取，通过i2c串行总线接口对所有恒温测试装置里dut的寄存器进行数据通信和读取，这里stm32f407内置高速usb接口，可将dut的寄存器回读值实时上传至pc上位机。
57.⑤
pt100测试模块，用于测试母板对测试负载板选通的铂电阻pt100进行四线制测试，这里的测试设备选用了fluke 1586a或者高精度数字万用表，fluke 1586a型高精度测温仪测温精度≤
±
0.01℃，满足测量要求；
58.⑥
pc上位机，用于保存pt100测试模块测试完成后的数据，以及对电源、高低温试验箱设备、高精度数字万用表等设备和测试母板进行控制和通信。其特征在于，包括：
59.rs232控制模块，通过rs232协议对高低温试验箱进行温度程控，并将回读回来的温度进行上位机显示，控制精度达到0.01℃；
60.usb控制模块，通过i2c总线协议和测试母板进行通讯，并将回读回来的寄存器的值进行上位机显示；
61.gpib控制模块，通过gpib接口协议来程控pt100测试模块中的fluke1586a或者高精度数字万用表，读取需要测试的铂电阻pt100的值，并记录下回读的数据。同时还能通过gpib接口协议来程控电源，程控产生不同的电压，从而给测试母板和测试负载板供电。
62.如图2，给出高低温试验箱内一个恒温测试装置的示意图，在高低温试验箱的测试负载板上设置有n个恒温测试装置，每个恒温测试装置底部设置有一个基座，在基座上安装有数字温度传感器，并将铂电阻接触放置在数值温度传感器的表面。
63.实施例2
64.如图2所示，为了实现上述目的，本发明提供了一种高精度数字温度传感器批量测试系统中，铂电阻pt100的校准方法，其校准方法如下：
65.将一等标准铂电阻和a级铂电阻pt100置于同一温度场中，通过一等标准铂电阻校准获得a级铂电阻pt100实际测试的温度值，即将一等标准铂电阻测试的实际温度对a级铂电阻pt100测量的温度进行标定。
66.上述不太依赖高低温试验箱的精度，而是以校准后a级铂电阻pt100作为参照，在温度场中，校准后a级铂电阻pt100和数字温度传感器会同时受到温度波动的影响，因此可以屏蔽掉高低温试验箱温度波动对测试的影响。
67.a级铂电阻pt100通过一等标准铂电阻和高精度的恒温槽进行标定提高了a级铂电阻pt100的准确性。测试时，用标定后的a级铂电阻pt100紧贴待测温度传感器放置，准确获取数字温度传感器实际测温值。a级铂电阻pt100采用四线制的接法，降低导线电阻和接触电阻对测试精度的影响。
68.铂电阻具有测量温度宽，稳定性好，在-100℃～600℃范围内被用来作为国际标准温度计。a级铂电阻pt100是利用铂的阻值随温度变化而变化，并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度和阻值对应关系为：
69.在-200℃到0℃范围之间：
70.r
t
＝r0×
(1+a1t+b1t2+c(t-100)t3)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
71.在0℃到850℃范围之间：
72.r
t
＝r0×
(1+a2t+b2t2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
73.其中，r
t
表示温度为t摄氏度时校准后的a级铂电阻pt100传感器的阻值，单位欧姆；t为温度，单位摄氏度；r0为温度为0℃时校准后的a级铂电阻pt100传感器的阻值，单位欧姆。
74.铂电阻的标定根据《jb/t 8622-1997工业铂热电阻技术条件及分度表》标准，a级铂电阻pt100未标定前使用式(1)、式(2)及标准r0、a1、b1、c系数时，允许误差≤
±
(0.15+0.002|t|)℃，在-50℃环境下其最大误差为
±
0.25℃，150℃环境下其最大误差为
±
0.45℃，不能满足本高精度数字温度传感器的技术指标需求。因此本发明需要对测量过程中使用的每一只a级铂电阻pt100单独进行精度标定。
75.在-200℃到0℃范围之间，即低温(本发明对应-65℃～0℃温度范围)，精度标定的原理是在-65℃～0℃范围内选择3个温度点t1、t2、t3，分别测量出a级铂电阻pt100在t1、t2、t3和0℃温度下的实际阻值r
t1
、r
t2
、r
t3
和r
t0
。分别将上述4组数据带入式(1)列出四组方程，然后通过方程解出该只a级铂电阻pt100特定的r0、a、b、c系数，本实施例中根据实际测量得到的系数分别为：
76.a1＝3.9083
×
10-3
；
77.b1＝-5.775
×
10-7
；
78.c＝-4.183
×
10-12
。
79.在0℃到850℃范围之间，即高温(本发明对应0℃～150℃温度范围)，精度标定原理与低温精度标定类似，因为高温计算公式仅包含a2、b2两个系数，所以0℃～150℃范围内仅需选择两个温度点进行标定，计算方式与低温计算系数的方式一致，此处不另外进行举例说明。
80.a级铂电阻pt100通过一等标准铂电阻和高精度的恒温槽进行标定，标定的过程如图2所示，将两个电阻分别置于玻璃管中，玻璃管中还填充有隔热塞，并将玻璃管插入恒温槽中，进行标定具体包括以下步骤：
81.将被标定a级铂电阻pt100和一等标准铂电阻同时放入高精度恒温槽中，温度稳定后读取a级铂电阻pt100实际电阻值rt1，并通过一等标准铂电阻测量恒温槽实际温度t1；标定过程所使用温度场的稳定性、均匀性和实际温度精度直接决定了a级铂电阻pt100铂电阻的标定精度，因此需要使用高精度恒温槽及一等标准铂电阻保证标定环境的稳定性和精确性。本项目标定恒温槽拟采用fluke 7381深井式紧凑型浴缸，该恒温槽在-80℃～150℃温度范围内温度稳定性和均匀性≤0.007℃；一等标准铂电阻拟采用fluke 5609型标准铂电阻，该一等标准铂电阻在-200℃～420℃温度范围内精度≤0.008℃。
82.经验证，标定后的a级铂电阻pt100在-20℃～50℃温度区间测温误差
83.≤
±
0.02℃，在-10℃附近测温误差≤
±
0.012℃；在-64.9℃附近测温误差≤
±
0.046℃；在150℃附近测温误差≤
±
0.019℃；标定后精度满足测试要求。
84.实施例3
85.在远程测量中，a级铂电阻pt100测温精度易受导线电阻、接触电阻等附加电阻影响，造成测量误差。采用开尔文电路即四线制方法可消除导线电阻rw的影响。四线制铂电阻测温原理如图3所示。
86.a级铂电阻pt100两端引出4根导线分为两组。其中一组导线连接测量端的恒流源
并为a级铂电阻pt100提供恒流激励is，另一组导线则在恒流激励作用下铂电阻两端产生的电势差um传输给远端的电压采集单元。由于电压采集单元的内阻远大于导线电阻，故导线电阻对铂电阻测温结果的影响可忽略不计。其中r
θ
为远端的a级铂电阻pt100。
87.实施例4
88.本实施例给出一种在高低温试验箱中基座实施方式，该基座用于安装校正后的a级铂电阻pt100传感器和待测试的高精度数字温度传感器，该数字温度传感器功耗较大，采用铜材质增加底部散热基座，铜的导热系数为377w/m.℃，铜块厚度设计2mm，经计算增加散热基座后，在隔热腔体内部采用导热系数大的基座材料铜设计散热结构，可有效降低待测器件“自热效应”对测试精度的影响。由传感器本身发热引起的温度误差在0.01℃以下，可以更好的满足测试应用要求，本实施例还给出一种如图5所示的基座，基座主要包括固定底座、金属底座以及导向台，固定底座用于将金属底座连接固定安装在恒温装置底部，固定底座包括中间的底板结构以及底板结构上均匀分布、向外延伸的叶子状固定叶，固定叶和设置有多个螺孔，通过螺钉分别与恒温测试装置、金属底座固定连接，如图5，选择固定叶的数量为4；金属底座中心设置有一个导向台安装槽，槽的深度、大小与导向台匹配，导向台安装槽中心还设置有一个散热通孔，在该通孔中安装有一个铜制散热基座，铜制散热基座与固定底座之间设置有一个带孔金属板，导向台上中心设置有一个高精度数字传感器的安装槽，且该槽中心位置有一个通孔。
89.为准确测量数字温度传感器的实际环境温度，降低测量误差，将校准后铂电阻最大限度靠近数字温度传感器放置。本发明将校准后的铂电阻嵌入恒温测试装置上盖内，测量过程中校准后的铂电阻紧贴待测数字温度传感器上表面。
90.实施例5
91.本实施例给出pc上位机进行控制的一个优选实施例，pc上位机在进行控制时对i2c配置文件进行批量导入，从而对电路内部的寄存器进行批量配置，同时能够将电路内部的寄存器值通过上位机控制界面进行批量回读，并在pc端人机交互界面显示，可以通过pc上位机选择i2c为寄存器配置采用的串口通信协议，可选择的协议至少包括4-wire spi协议、3-wire spi协议以及i2c协议；上位机pc还可以显示寄存器配置后数据读取窗口，返回寄存器配置完成后的值，以及对寄存器进行单帧传输窗口；pc上位机还可以控制控制测试负载板和测试母板的电压值，并显示内温铂电阻和外温铂电阻的测试值。
92.实施例6
93.本发明还提供一种高精度数字温度传感器批量测试系统的测试方法，利用前述任一项一种高精度数字温度传感器批量测试系统进行高精度数字温度传感器的批量测试，测试过程包括安装阶段和测试阶段，具体包括以下步骤：
94.在安装阶段，将待测试的高精度数字温度传感器放置在恒温测试装置内，再将校正后的a级铂电阻pt100传感器放置在待测试的高精度数字温度传感器上，使用保温材料将各个恒温测试装置进行密封处理，处理完后将测试负载板放置在高低温试验箱内；
95.将测试母板和测试负载板用排线进行连接，将pt100测试模块和测试母板用四线制进行连接；
96.将pt100测试模块、电源和pc上位机的gpib控制模块进行连接，将测试模板和pc上位机的usb控制模块进行连接，将高低温试验箱和pc上位机的rs232控制模块进行连接；
97.进入测试阶段，通过rs232控制模块对高低温试验箱进行程控，设置相应的箱体环境温度；通过usb控制模块和i2c总线上的高精度数字温度传感器进行通信；通过gpib控制模块程控电源的电压和限流；通过gpib接口协议来程控pt100测试模块精度，并通过pt100测试模块读取待测试铂电阻pt100的值，并记录下回读的数据；
98.通过i2c总线完成待测器件配置，对所有恒温测试装置里面的高精度数字温度传感器进行通信控制并对i2c串行总线接口进行切换；通过i2c串行总线接口对所有恒温测试装置里面的高精度数字温度传感器进行数据通信和寄存器初始化配置；
99.检测usb总线数据，进入循环等待usb总线测试指令，如果测试指令到来，即启动指定器件温度转换，通过i2c串行总线接口对指定恒温测试装置里面的高精度数字温度传感器进行寄存器配置，开启器件温度转换功能；
100.读取结果并通过usb总线回传，当接收到测试指令后，根据指令内容对指定待测的高精度数字温度传感器进行温度转换，然后将高精度数字温度传感器温度转换回读的结果实时上传至pc上位机，pc上位机记录好待测的高精度数字温度传感器的测试结果和对应数据，完成测试。
101.本发明批量测试系统包括pc上位机、pt100测试模块、测试母板、测试负载板、高低温试验箱、电源。本发明采用i2c的数据传输，上位机i2c配置界面实时显示，减少电路寄存器配置时外界干扰产生误码和乱码的情况，可提高寄存器批量配置效率和准确率。本发明提出了一种铂电阻pt100的校准方法，通过校准后的a级铂电阻pt100采用四线制接法来对高精度数字温度传感器进行批量测试，可提高数字温度传感器温度参数测试准确率，铂电阻pt100常温和高温(0℃～150℃)测试精度可以提高到
±
0.02℃以内，低温(-65℃～0℃)测试精度可以提高到
±
0.046℃以内。本发明具有高精度数字温度传感器在线监测能力和多芯测试能力，可以提高批量测试效率。
102.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。