这是在做一个高精度高温传感器配套测试系统时的文献学习笔记。仅做记录总结，方便自己之后查看汇总，言语如有不得体之处还请见谅，转载注明出处。

1、基础知识复习

热电偶传感器利用热电效应来进行工作的, 其热电势率一般为几十到几μV/0℃。它直接和被测对象接触, 不受中间介质的影响, 因而测量精度高, 并且可以在-200~+1600℃范围内进行连续测量。

理论上，热电偶是冷端以0℃(或者0K，看E（T，0）计算式的单位)为标准进行测量的。然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，但由于冷端不为0℃，造成了热电势差减小，使测量不准，出现误差。因此为减少误差所做的补偿措施就是冷端温度补偿。

通常会采用一些措施来消除冷端温度变化所产生的影响，如冷端恒温法、冷端温度校正法、补偿导线法、补偿电桥法。

（1）冷端恒温法

冷端恒温法就不说了，把冷端泡在冰水混合物里，不经济，难实现。

（2）冷端温度校正法

由于热电偶的温度分度表是在冷端温度保持在0℃的情况下得到的，与它配套使用的测量电路或显示仪表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温度不等于0℃时，就需对仪表指示值加以修正。如冷端温度高于0℃，但恒定于t0℃,则测得的热电势要小于该热电偶的分度值，为求得真实温度，可利用中间温度法则，即用下式进行修正：

E（t,0）= E（t,t1）+ E（t1,0）

这里用到了一个热电偶重要的定律：中间温度定理，定义内容就是上面的式子。

3）补偿导线法

由于热电偶的材料一般都比较贵重 (特别是采用贵金属时)，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线（compensating lead）把热电偶的冷端 (自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。这是一种专用导线，有正、负极性。选择某一对导线，当其与某种热电偶的热电特性小于100℃的范围里一致时，只要热电偶冷端小于100℃，并将它与热电偶冷端连结，则相当于将热电偶延长，这样便于热电偶的冷端温度处理，如果所移的冷端仍处于温度较高或有波动的地方，则此时的补偿导线就失去使用意义。

电桥补偿法其实就是冷端温度矫正的一种方法，除此之外还有通过其他方式矫正的，这个会在下篇文献学习中详细描述。

2、基础信号调理电路

首先想到的就是某门课讲过的一种调理电路：

总结一下：偏置、滤波、放大。

这里冷端补偿的方式是外接温度传感器AD590，在AD转换输入单片机，软件部分进行冷端补偿。

书上就一电路图，没有分析过程，所以参数设计过程遇到了困难。

在调试仿真后发现，更改上拉电阻，可以改变偏置，如果上拉电阻小是反偏，电阻大是正偏置。上拉电阻一般要比后面的滤波器电阻大几个量级；上拉电阻过小会导致反偏的厉害，在输出后级再加反相器也能起到调偏置的目的，但是多个有源器件引入噪声。选择上拉电阻大三个量级，滤波器电阻5.1k，正向偏置400mV左右，在输入信号为正时可以保证正偏；在输入信号为0时输出恒定偏置值，再通过运放offset调整。

原电路加偏置是为了适应运放单电源供电的工作状态，在仿真后偏置效果不太能保证，所示在PCB中加了分压电路，为运放双端供电，分压中间点位模拟地，接入板子公共地。

调整R5对输出幅值改变明显；信号截止频率通过调整电容来改变。分压电阻后面的无源滤波器，滤波截止频率主要又电容确定，大电容滤低频，图示值能滤除工频干扰。

调整OP系列运放的OFFSET端电压能有效改善零输入失调电压，调整范围在100mA左右。

3、其他相关信号调理

在买的读数头（温度配送器）中，大多有一个转4-20mA输出的功能，之前也有很多传感器调理电路需要这类输出，但没深究为什么。在百度查了一些相关文章，电子发烧友一篇文章写的很好：

采用电流信号的原因是不容易受干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米；由于电流源的大内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0－5V的电压，低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。

上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。

4~20mA.DC（1~5V.DC）信号制是国际电工委员会（IEC）：过程控制系统用模拟信号标准。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用4~20mA.DC，联络信号采用1~5V.DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。

所以在第一版电路板上加入了V-A转换与A-V转换，以适应长距离传输情况，具体转换电路百度随便查一下，有很多。

4、软件设计基础

设计配套测试系统，重点部分在数据处理方式，这部分在下篇讲解。在此记录几篇有关信号安全传输、IOT系统接入和UI界面设计的文章：

[1]Chang, V., Martin, C., 2021. An industrial IoT sensor system for high-temperature measurement. Computers & Electrical Engineering 95, 107439.. doi:10.1016/j.compeleceng.2021.107439

[2]T. Xu, J. B. Wendt and M. Potkonjak, "Security of IoT systems: Design challenges and opportunities," 2014 IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD), 2014, pp. 417-423, doi: 10.1109/ICCAD.2014.7001385.

[3]K. Yordanov, P. Zlateva, I. Hadzhidimov and A. Stoyanova, "Testing and clearing the high temperature module error from 0 to 1250°C for measurement with 16 K-type thermocouples," 2018 20th International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies (SIELA), 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/SIELA.2018.8447096.

文献[1]和[3]都做了测温系统，都用了：单片机、热电偶、无线通讯（蓝牙orWifi），总结一下就是使用物联网思维的分布式测控系统。主要学习其分布式系统的设计思路。

文献[1]的主要亮点是可分布式采集的数据存储、传输都体现了物联网思维，方便接入其他物联网系统，可拓展性强。

文献[3]则是用了在一个模块内集成了多个热电偶的方式，“用空间换精度”，具体实现的数学推导没太看懂，不过大体思路就是多点采集，剔除异常值，取有效数据均值以降低随机误差。

文献[2]主要讲了在物联网系统信号传输的主要方式中，如何做好数据加密，具体加密过程涉及到一些密码学的知识，不过其中一条简单的处理思路很受用：在配对再验证成功后传输数据，否则数据存储在安全的本地存储介质或上。还可以加入一个实时匹配检测程序，当物联网设备使用某种形式的通信技术连接到其他未验证渠道时，执行故障安全程序，例如，中断通讯或者启用报警程序。正好用电开发板有接入SD卡，在实现测试系统基础功能后，可以考虑加入这个安全保护措施。

在两篇关于多点分布测控的文章中，都提到了异常值判断的问题，目前做的项目如果采样频率足够高，可以迁移到时域多点异常值去除，当然，即使采样频率不太够这个过程也是很必要的。

基于之前的误差理论知识，剔除异常值有3σ原则、Grubbs检验法、回归分析判断等，文献中使用的方法是四分位距法，这个方法在商务数据分析课程中讲过，但只用了函数库，具体过程没自己做过。

学习了一下，具体的判断过程：按顺序取最后二十个温度读数，并将它们分成三个四分位数。四分位数一（Q1）是数据集前半部分的中位数，四分位数二（Q2）是整体集的中位数，四分位数三（Q3）是集后半部分的中位数。Q3-Q1计算四分位数Q4范围。最后，四分位数范围乘一个恒定值（这个值取决于你想要多大的有效数据范围）得到IQR(Interquartile Range)，然后有效数据的下限和上限就是[Q1−IQR,Q3+IQR]。如果当前温度低于下界或大于上界，则是一个异常值，给与剔除。

恒定值乘数的设置需要经过试验和错误测试。总体而言，使用四分位数范围的策略在消除可能的离群值方面更为有效，因为边界可以根据给出的数据集动态变化，而不是硬编码到特定值，这种动态变化允许更精确的检测。

此外，在设计软件系统功能时，想给出实时的测量精度，并通过串口进行系统误差的校正，在计算精度时需要实时计算标准不确定度，这个参数在进行3σ检验、Grubbs检验时可以直接拿来用，检验的时间复杂度会比用四分位法低，而且这种检验方法在误差理论中是普遍认可的。

简而言之，如果测试系统在进行实时精密度计算的情况下采样频率满足上升时间要求，则可以使用Grubbs检验异常值，否则不进行精密度实时计算，使用四分位法检验异常值。

最后，给出两篇在知网找到看着还行的文献：

[1]常广晖,常书平,张亚超.高精度热电偶测温电路设计与分析[J].计算机测量与控制,2021,29(03):67-71.

[2]张海涛,罗珊,郭涛.热电偶冷端补偿改进研究[J].仪表技术与传感器,2011(07):11-14.

这两篇文献的内容可以分别用一句话概括：[1]作者用最小二乘法拟合了热电偶温度计算函数t(E),比分段线性法和插值法精度高（存疑，这应该是在插值表密度低的情况下）复杂度还低。[2]作者把冷端补偿电路和热电偶测量电路分开了，因为合在一起不经有补偿电路本身精度影响，还有补偿的线性与热电偶非线性输出间不匹配造成的误差。

这两篇文章最大的作用就是在写一些材料时可以参考其中一些段落，作为众所周知......另外也看了一些其他知网的有关热电偶测温的文章，大多没啥参考价值。以以往在知网查文献的经验，知网最有价值的文章就是各大院校的学位论文，之后会在学位论文中再找找有没有做相关课题的。

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