数字温度传感器自适应动态补偿方法

数字温度传感器自适应动态补偿方法

浦龙王永海荆志彬

(中国电子科技集团公司第49研究所黑龙江省哈尔滨市150001)

摘要：对数字温度传感器具有较大温度滞后性的缺点，将自适应决策与基于数字滤波方法的动态补偿有机结合，提出了一种数字温度传感器自适应动态补偿方法：利用后向差分法设计的数字滤波器，实现了数字温度传感器工作频带扩展，完成了其动态补偿，并在动态补偿后面串联一个数字低通滤波器，以防高频噪声干扰；根据数字温度传感器的输出量、数字低通滤波的输出结果以及决策阈值，自适应地选择是否需要动态补偿，避免了补偿过度。以高精度数字温度传感器DS1624为补偿对象的实验表明，这种自适应动态补偿方法大大改善了数字温度传感器的动态性能，响应时间缩短至补偿前的30％～40％。

关键词：数字温度；传感器；自适应动态补偿

数字温度传感器接口简单、互换性好、使用方便，温度分辨率高，但其存在非线性误差，因此在高精度的测温系统中必须进行误差补偿，以提高测量准确度。然而，数字温度传感器都具有较严重的温度响应滞后。以DS1624为例，完成一次温度转换一般需要400ms，外部封装进一步加大了温度测量的响应时间。但对于某些温控系统，在控制初期，系统控制量大，系统升温或降温迅速，温度传感器必须进行动态补偿才能满足要求；而当系统处于稳定状态时，因控制量小，温度改变缓慢，动态补偿产生的噪声影响了传感器的测量精度。为解决这一问题，将自适应决策与基于后向差分数字滤波方法的动态补偿有机结合，提出了一种数字温度传感器自适应动态补偿方法，对高精度数字温度传感器DS1624进行这种动态补偿可大大改善其动态性能，使DS1624的响应时间缩短至补偿前的30％～40％。

一、数字温度传感器自适应动态补偿原理

由于数字温度传感器的工作频带不够宽，不能覆盖被测信号所包含的所有频率分量，造成被测信号高频分量的衰减，使传感器动态响应性能变差。在传感器后增加一个补偿环节，拓宽其工作频带，可有效改善传感器的动态响应性能。

图为被测温度，x(n)为数字温度传感器的输出量，Y(n)为动态补偿的输出结果，Yc(n)为数字低通滤波器的输出结果，YL(n)为数字温度传感器自适应动态补偿的输出结果，W(s)为数字温度传感器的传递函数，A(s)为选择开关的传递函数，H(s)为补偿网络的传递函数，C(s)为数字温度传感器动态补偿后的传递函数，L(z)为数字动态滤波器的系统函数，于是有：根据数字温度传感器的输出、数字低通滤波的输出结果与决策阈值，完成是否进行动态补偿的决策：

1)当温度变化相对迅速时，自动选择动态补偿，拓宽工作频带，以满足系统要求。

2、数字低通滤波器设计。通过拓展数字温度传感器工作频带实现动态补偿，不可避免地将带来高频噪声干扰，影响补偿效果。因此，在动态补偿网络后面串联一个数字低通滤波器，可滤除动态补偿产生的高频噪声。采用一个长度为Ⅳ的滑窗均值滤波器作为数字低通滤波器，将经动态补偿后的数据列Y(n)顺序存入N个内存单元，滤波输出数据列Y(n)的数值是N个内存单元数据的均值，N个内存单元每次只按顺序更换一个数据，更换一个数据求一次均值，即：

3、自适应动态补偿参数的影响。式中的M、滑动窗口均值滤波长度N、数字温度传感器工作频带的拓宽倍数k和决策阈值or都是待整定的参数，它们的取值大小将影响自适应动态补偿的效果。M影响拐点的准确度，由于Y(n)序列存在噪声干扰，使得动态补偿曲线并非理想的光滑曲线。但是M值过大，拐点的位置会出现在区域，从而影响自适应动态补偿精度。N影响低通滤波的效果，N越大，低通滤波效果越好，但是Y(n)的时间滞后越严重。k影响动态补偿效果，k越大，数字温度传感器动态补偿后的工作频带越宽，高频噪声干扰越严重，甚至会出现过补偿；k越小，动态补偿后的工作频带越窄，补偿效果越不明显，会出现欠补偿,系统将会出现振荡，从而降低自适应动态补偿精度。因此在设计中，N、k的值应该根据实际要求，并综合考虑各因数影响，通过实验和仿真加以确定。

二、数字温度传感器白适应动态补偿实验

智能粘度仪水浴温度测控系统采用的高精度数字温度传感器DS1624为实验对象，先将置于金属密封管中的数字温度传感器DS1624放人冰水混合物中，温度完全平衡后迅速将放入25.5℃的智能粘度计恒温水浴，待温度完全平衡后再次放入冰水混合物中，即对DS1624施加25.5℃的温度阶跃信号。经大量实验，确定DS1624为纯滞后一阶系统，其传递函数时间常数：0.95S；当数字温度传感器DS1624工作频带拓宽倍数k=10，M=5，滑动窗口均值滤波长度N=10，采用间隔0.5s时，取得了较好的效果。数字温度传感器DS1624自适应动态补偿前后的动态响应曲线。数字温度传感器DS1624经自适应动态补偿后，响应时间大大缩短，提高了其动态响应性能。数字温度传感器DS1624自适应动态补偿与常规的动态补偿比较，可以看出当t≥3tr时，即温度稳定在25.5℃附近，常规的动态补偿出现了振荡，测量精度降低；而自适应动态补偿经自适应决策，选择了DS1624的输出直接作为系统输出，避免了常规动态补偿的缺点。数字温度传感器DS1624工作频带拓宽倍数不同时，自适应动态补偿的效果比较，可知，当k=2时，DS1624补偿不够，即欠补偿；当k=lOO时，由于工作频带过宽，系统带来了严重的高频噪声干扰，且有轻微的过补偿；当k=10时，DS1624的自适应动态补偿效果较好，缩短了其响应时间。tc为数字温度传感器DS1624经自适应动态补偿后的响应时间，t0为数字温度传感器DS1624未补偿的响应时间，△f为两者的差值，0～16℃表示对数字温度传感器DS1624施加一个温度阶跃信号，其初值为0℃，终值为16℃。由数字温度传感器DS1624经自适应动态补偿后，响应时间缩短为未补偿状态的30％～40％，改善了其动态性能。

通过传感器或测试系统的工作频带，以减少其动态测量的误差，是传感器或测试系统提高动态性能的重要方法。以高精度数字温度传感器DS1624为研究对象，针对其具有较大温度滞后性的缺点，提出了一种自适应动态补偿方法，将自适应决策与基于后向差分数字滤波方法的动态补偿有机结合，改善了数字温度传感器DS1624的动态性能，响应速度提高60％～70％。这种方法结构简单，很容易实现在线实时动态补偿。此动态补偿方法，亦可用于其他响应速度较慢的传感器实时动态补偿中。

参考文献：

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[2]郭海涛，陈德茂．数字温度传感器自适应动态补偿方法研究[J]．仪器仪表学报，2016，(1)．

[3]黄俊钦，李行善.数字温度传感器自适应动态补偿方法研究[J].仪器仪表学报,2015,(1).

[4]万聪文,樊尚春.基于预测模型的稳定传感器动态补偿新方法[J].传感技术学报,2016,(8).