无线测温装置及其测温方法与流程

1.本发明涉及高精度无线测温技术领域，具体涉及一种无线测温装置及其测温方法。


背景技术：

2.飞机或者坦克等装备在发射炮弹后会是炮管内的温度快速上升，通常会引起火炮身管内壁烧蚀，使得火炮身管内部结构变形并且导致火炮身管使用寿命降低，最终导致火炮的弹道计算与火炮飞行轨迹出现偏差影响射击精度，所以通常会对火炮身管进行温度实时监测，利用检测得到的温度数据结合炮管的材质可以对火炮弹道计算进行矫正，保证射击精度。
3.现有的温度检测通常采用直接测量法或者推导法；直接测量法是通过测温传感器直接测量炮管内壁的温度，得到炮管的温度数据，推导法则是测量距离炮管内壁径向方向一段距离位置的温度推算出炮管内壁的温度。
4.现有的推导法测量炮管内壁温度装置结构复杂，通过有线方式连接导致使用受限，并且温度测量精度低导致计算得到的炮管温度与实际值存在较大偏差，不能满足实际使用需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种无线测温装置及其测温方法，用于解决对炮管内部温度测量准确度低的问题。
6.本发明所提供的技术解决方案：
7.一种无线测温装置，其特征在于，包括无线测温电路和无线通信电路，所述无线测温电路包括电阻检测电路、测温电源、ad转换器和计算单元，所述电阻检测电路包括温感电阻串和用于测量温感电阻串电压的电压测量元件，所述测温电源的输出端分别与温感电阻串的输入端和计算单元的输入端连接，所述温感电阻串的输出端接地，所述电压测量元件、ad转换器、计算单元和无线通信电路依次连接，所述计算单元用于根据温感电阻串对应的电压和测温电源地电流计算得到温感电阻串感应到的温度值；所述无线通信电路用于将计算单元得到的温度值进行无线传输。
8.进一步限定，所述测温电源为恒流电源，所述恒流电源用于提供恒定大小的电流。
9.进一步限定，所述温感电阻串包括串联的压差电阻和热敏电阻，所述恒流电源的输出端与热敏电阻的输入端连接，所述热敏电阻的输出端与压差电阻的输入端连接，所述压差电阻的输出端接地，所述电压测量单元包括用于测量热敏电阻对应电压的第一运算放大器、用于测量压差电阻对应电压的第二运算放大器和用于测量第一运算放大器与第二运算放大器之间压差值的第三运算放大器，所述第三运算放大器的输出端与ad转换器的电压输入端连接。
10.进一步限定，所述温感电阻串还包括串联的参考电阻，所述参考电阻的输入端与
恒流电源的输出端连接，参考电阻的输出端与热敏电阻的输入端连接，所述电压测量单元还包括用于测量参考电阻对应电压的第四运算放大器，所述第四运算放大器的输出端与ad转换器的参考电压输入端连接。
11.进一步限定，所述计算单元用于根据参考电阻的阻值和参考电阻的电压确定恒流电源的输出电流，用于根据恒流电源的输出电流和第三运算放大器测量的压差值确定热敏电阻的实时电阻，用于根据热敏电阻的实时阻值确定热敏电阻对应的实时温度并将实时温度发送给无线通信电路。
12.进一步限定，所述无线通信电路包括无线接收元件、显控元件和总电源，所述无线测温电路还包括无线发射元件，所述总电源的输出端以及无线接收元件的输出端均与显控单元的输入端连接，所述计算单元的输出端与无线发射元件的输入端连接，无线发射元件的输出端与无线接收元件的输入端信号连接。
13.进一步限定，所述无线发射元件与无线接收元件通过蓝牙进行信号连接。
14.进一步限定，所述无线通信电路还包括无线给电元件，所述无线测温电路还包括无线接电元件，所述总电源的输出端与无线给电元件的输入端连接，无线给电元件的输出端与无线接电元件的输入端感应连接，无线接电元件的输出端分别与恒流电源的输入端和计算单元的输入端连接。
15.一种无线测温方法，其特征在于，基于上述的无线测温装置，包括以下步骤：
16.s1、总电源为无线给电元件和显控单元供电；
17.s2、无线接电元件通过无线给电元件得电后无线接电元件为计算单元和测温电源供电；
18.s3、温感电阻串中热敏电阻的阻值根据炮管中的温度实时变化，通过电压测量元件测量热敏电阻电压与压差电阻电压之间的电压差并将测量得到的电压差输入ad转换器转换为电压差数字信号，通过电压测量元件测量参考电阻的电压并将参考电阻的电压输入ad转换器转换为参考电压数字信号；
19.s4、计算单元接收到电压差数字信号与参考电压数字信号后对电压差数字信号进行校准；
20.s5、计算单元将校准后的电压差数字信号通过电压转换电阻公式计算得到热敏电阻的电阻；
21.s6、计算单元根据得到的热敏电阻电阻匹配热敏电阻外侧的炮管温度，并将炮管温度通过无线发射元件进行上传；
22.s7、无线接收元件在接收到无线发射元件发送的炮管温度后将炮管温度上传至显控单元进行显示。
23.进一步限定，所述步骤s4包括以下步骤：
24.s41、ad转换器接收到实际参考电压v
参考
；
25.s42、根据实际参考电压v
参考
与理论参考电压v
参考理论
计算得到测温电源电流的波动系数n，n＝v
参考理论
/v
参考
；
26.s43、计算单元接收到输入电压v
压差
；
27.s44、根据电流波动系数n计算得到矫正后的输入电压v
压差矫正
＝n*v
压差
；
28.s45、将输入电压v
压差矫正
转换为对应的电压数字信号。
29.本发明的有益效果在于：
30.1、本发明利用温感电阻串根据炮管内温度的变化改变阻值大小，再通过测量温感电阻串的电压和电流计算温感电阻串的电阻，从而能够根据温感电阻串的阻值匹配对应的温度，得到炮管内的温度，从而得到炮管内壁温度，测量简单，测量精度高，测量得到的测量结果更准确，通过无线通信电路能够实现将测量结果进行无线传输，适用范围更广，同时能够将测量结果进行显示和保存，方便掌握炮管准确状态，提高发射精度和命中率。
31.2、通过恒流电源提供的恒定电流一方面方便计算温感电阻串的电阻，同时也能够避免电流波动导致最终计算结果波动较大导致影响测温结果的准确性，所以利用恒流电流提高温度计算的速度和准确性，提高响应速度的同时提高计算结果的准确性。
32.3、利用参考电阻和压差电阻进一步提高温度的测量准确性，通过输入参考电阻的阻值能够进一步确定恒流电流的大小，从而提高对热敏电阻阻值的计算，同时通过热敏电阻与压差电阻之间通过电压差值作为输入计算热敏电阻的阻值，进一步减少热敏电阻因环境温度造成的误差，进一步提高温度测量的准确性。
33.4、利用无线充电的方式对无线测温电路进行供电，能够实现更高标准的防尘防水效果，满足更多条件的使用环境，适用范围更广，同时也提高了无线测温装置的使用寿命。
附图说明
34.图1为本发明实施例1中电阻检测电路原理图；
35.图2为本发明实施例2中电阻检测电路的电路图；
36.图3为本发明实施例3的整体结构原理图。
具体实施方式
37.实施例1
38.本实施例提供一种无线测温装置，包括无线测温电路和无线通信电路，无线测温电路主要是用来实现炮管内部温度的测量，而无线通信电路则是将无线测温电路测量得到的温度结果进行接收并显示、保存以及再次上传给地面指挥等数据信号发送。
39.其中，参考图1，无线测温电路包括电阻检测电路、测温电源、ad转换器和计算单元，电阻检测电路包括温感电阻串和用于测量温感电阻串电压的电压测量元件，温感电阻串能够根据外界温度的变化其阻值会发生相应的变化，电压测量元件可选择电压表或者运算放大器进行电压的测量，利用u＝ir即可得到对应的温感电阻串的电阻，从而能够根据温感电阻串温度与电阻之间的关系匹配出对应的环境温度，完成温度测量，再将测量得到的温度结果通过无线传输的方式进行传输，实现不接触式信号传输减少坦克或者飞机上的开孔或者开孔大小。
40.测温电源用于给电阻检测电路和计算单元进行供电，测温电源优选为恒流电源，可采用型号为adr4525d的精密基准电压源，该精密基准电压源2.5v基准电压，输出精度达0.02％，最大温度系数：0.8ppm/℃，长期漂移：51ppm(典型值)/4500小时，在经过恒流源电路输出恒定电流，例如可选为恒定输出0.5ma的电流，使得恒定电流流过温感电阻串时电流稳定能保证得到的温感电阻串电压稳定，避免电流波动造成感温电阻的电压变化不确定是温度变换还是电流变换引起，同样避免实时测量电流大小的操作，所以在增加温度测量准
确性的同时提高温度测量的效率。
41.ad转换器用于将模拟信号转换为数字信号，即将电压测量单元测量得到的模拟信号转换为对应温感电阻串电压的数字信号，根据预设的温度测量范围计算得到ad转换器的精度，例如在预设炮管内测量的温度范围为-50℃～500℃时，测量精度为0.5℃，从而计算得到ad转换器的转换精度，可选用型号为ad7606的ad转换器对电压信号采集并转换，完成对温感电阻串电压的实时接收。
42.计算单元用于对接收到的数据进行处理，在获取得到ad转换器发送的电压测量元件测量得到的电压后，再根据测温电源的电流计算得到温感电阻串的电阻，再根据录入的电阻与对应温度之间的关系式或者在设定的不同温度下测量温感电阻串对应的阻值进行匹配测量得到的实时温度，从而实现温度的测量。
43.实施例2
44.与实施例1不同的是，本实施例中温感电阻串包括串联的热敏电阻rx和压差电阻r2，电压测量单元包括第一运算放大器v1、第二运算放大器v2和第三运算放大器v3，测温电源的输出端依次与热敏电阻和压差电阻连接后接地，第一运算放大器接在热敏电阻的两端用来测量热敏电阻的实时电压，第二运算放大器接在压差电阻的两侧用来测量压差电阻的实时电压，而第三运算放大器分别与第一运算放大器和第二运算放大器连接，用于测量第一运算放大器和第二运算放大器之间的电压差，第三运算放大器的输出端与ad转换器的电压输入端连接，通过模拟/数字转换后发送给计算单元进行计算，计算单元首先根据测温电源的电流大小i计算得到压差电阻与热敏电阻之间的阻值差，进而得到热敏电阻对应的实施电阻，在使用前可以利用试验模拟炮管温度，根据设定的温度测量得到对应热敏电阻的阻值，再根据试验获取的炮管内部温度与热敏电阻阻值建立相关模型，进而在得知热面电阻阻值的同时计算得到对应炮管内部的温度，实现高精度的温度测量，通常热敏电阻设置在炮管内，压差电阻设置在设备内部，降低外界温度对压差电阻的影响。
45.优选的，温感电阻串还包括参考电阻r1，参考电阻与热敏电阻和压差电阻串联，使得测温电源输出的电流依次经过参考电阻、热敏电阻和压差电阻，对应的电压测量单元还包括第四运算放大器v4，第四运算放大器接在参考电阻的两侧用于测量得到参考电阻上的实时电压，第四运算放大器的输出端将测量得到的电压模拟信号发送给ad转换器的参考电压输入端，在转换后输入给计算单元的输入端进行计算。
46.参考图2，r1，r2可均选为高精度低温漂精密金属箔电阻，rx为待测试温度的pt系列热敏电阻；恒流电流的大小优选为0.5ma，保证rx热敏电阻不会因电流过大导致自称发热影响测量准确性，也保证rx热敏电阻不会因电流太小导致输出的信号较小导致测量精度降低。
47.在进行测温前需要确定电阻r1和r2的阻值，同时确定热敏电阻的型号，并将热敏电阻阻值与对应温度之间的关系式导入计算单元中。
48.运算放大器v4测量参考电阻r1的电压u4，计算方式为u4＝k4*i*r1，k4为运算放大器v4的放大系数；运算放大器v1测量的是热敏电阻rx的电压ux，理论上ux的计算方式为ux＝k1*i*rx，k1为运算放大器v1的放大系数；运算放大器v2测量的是压差电阻r2的电压u2，u2的计算式为u2＝k2*i*r2，k2为运算放大器v2的放大系数；k1＝k2＝k，运算放大器v3测量的是运算放大器v1与运算放大器v2的电压差u3，理论上u3的计算式为u3＝k3*(ux-u2)，其
中k3为运算放大器v3的放大系数，其中u3可以进一步拆解得到u3＝k3*k*i(rx-r2)。
49.由于ad转换器所需的外部参考电压为2.5v，因此在图2所示的测量桥路中，r1的阻值设计为5kω；在本发明应用的实例中，选用的热敏电阻型号为pt100，热敏电阻的温度测量范围为50℃～300℃，根据pt100热敏电阻的特性参数，可知，在测量范围内热敏电阻变化范围为119.7ω～212.1ω，因此r2的理论电阻为(119.7 212.1)/2＝165.9ω，根据标准电阻阻值表选定r2的阻值为165ω，由于a/d转换器的电压输入范围为
±
5v，为了满足测量要求，可以设计电路可测量的电阻的整个变化范围为110ω，即电路可测量的电阻范围为(165ω
±
55ω)，即电路单边变化为55ω，以此计算，当电阻差值(rx-r2)变化55ω时，送到ad转换器端的电压为5v，因此可以计算出整个电路放大倍数k*k3＝5/(0.0005*55)＝181，此时，在实际测量范围内u3测量得到的输入电压绝对值为4.1v-4.26v，而整个电路可测量的温度范围为25℃∽320.5℃，满足指标测量范围为50℃～300℃的要求。
50.无线通信电路包括无线接收元件、显控元件、总电源和无线给电元件，无线测温电路还包括无线发射元件和无线接电元件，总电源的输出端以及无线接收元件的输出端均与显控单元的输入端连接，计算单元的输出端与无线发射元件的输入端连接，无线发射元件的输出端与无线接收元件的输入端信号连接，总电源的输出端与无线给电元件的输入端连接，无线给电元件的输出端与无线接电元件的输入端感应连接，无线接电元件的输出端分别与恒流电源的输入端和计算单元的输入端连接。
51.具体的，在实际使用时，通常将热敏电阻安装在炮管内部对炮管内部温度进行实时测量，显控单元可以安装在驾驶室中对炮管的温度进行计算后显示，同时显控单元也会自动对炮管的实时温度进行保存，总电源可采用坦克或者飞机中的电瓶给显控单元进行供电，由于坦克炮管会相对机身转动，飞机挂载炮管会根据执行任务需要拆卸，所以采用有线供电会导致拆装麻烦并且会提高设备的防水防尘难度，进而优选选择无线充电的方式为无线测温电路进行供电。
52.无线充电的无线给电元件中可选用国产芯片xkt-335进行给电控制，xkt-335为专用无线充电、供电发射大功率输出芯片，可工作在较高的工作频率下，减小发送线圈的体积和尺寸，同时增加发射功率，降低线圈成本。无线接电元件的芯片可选用国产芯片t3168，无线给电元件的输出电压可控制为5～18v，可以实现无线给电元件与无线接电元件之间间距2～3cm皆可实现感应式充电。
53.同样的，通信方式优选为无线传输方式进行通信，无线通信优选采用更加稳定可靠的蓝牙传输方式，及无线接收元件与无线发射元件构成的无线收发元件可选为蓝牙模块，蓝牙通信距离一般在10米之内能够完成稳定通信，满足使用需求，蓝牙通信模块选用低功耗蓝牙soc器件nrf52832；当无线接电元件接收到的电量可以为计算单元供电，此时测温电源即可只对温感电阻串进行供电，保证供电的稳定性。
54.实施例3
55.参考图3，一种无线测温方法，基于实施例2提供的无线测温装置，包括以下步骤：
56.s1、总电源为无线给电元件和显控单元供电；
57.s2、无线接电元件通过无线给电元件得电后为计算单元和测温电源供电；
58.s3、温感电阻串中热敏电阻的阻值根据炮管中的温度实时变化，通过电压测量元件测量热敏电阻电压与压差电阻电压之间的电压差并将测量得到的电压差作为输入电压
输入ad转换器，通过电压测量元件测量参考电阻的电压并将参考电阻的电压作为参考电压输入ad转换器转；
59.s4、ad转换器根据接收的参考电压对输入电压进行校准后输出校准电压数字信号；
60.s5、计算单元接收校准电压数字信号通过电压转换电阻公式计算得到热敏电阻的电阻；
61.s6、计算单元根据得到的热敏电阻电阻匹配热敏电阻外侧的炮管温度，并将炮管温度通过无线发射元件进行上传；
62.s7、无线接收元件在接收到无线发射元件发送的炮管温度后将炮管温度上传至显控单元进行显示。
63.具体的，步骤s3中，热敏电阻rx的阻值根据炮管内的温度改变而改变，同时改变运算放大器v1测量的电压ux和运算放大器v3测量的电压u3，电压u3作为输入电压输入给ad转换器，同时运算放大器v4测量的参考电阻r1的电压u4作为参考电压输入给ad转换器，由于理论上测温电源作为恒流源输出的电流恒定不变，但是实际电流会在使用时存在波动，此时输入ad转换器的参考电压u41大于或者小于u4，同样的，由于电流变化导致输入ad转换器的输入电压也同步变化，所以需要利用参考电压对输入电压进行校准。
64.具体的，步骤s4包括以下步骤：
65.s41、ad转换器接收到实际参考电压v
参考
；
66.s42、根据实际参考电压v
参考
与理论参考电压v
参考理论
计算得到测温电源电流的波动系数n，n＝v
参考理论
/v
参考
；
67.s43、计算单元接收到输入电压v
压差
；
68.s44、根据电流波动系数n计算得到矫正后的输入电压v
压差矫正
＝n*v
压差
；
69.s45、将输入电压v
压差矫正
转换为对应的电压数字信号；
70.实现对输入电压因恒流源电流波动导致的数据不精准。
71.具体的，步骤s5中，计算单元在接收到校准后的输入电压后，根据电压转换电阻公式计算得到热敏电阻的电阻，其中电压转换电阻公式具体为：
72.先通过电阻箱代替热敏电阻串联在电阻检测电路中，随后通过电阻箱设定不同的阻值，并按照步骤s1～s4执行得到与电阻箱阻值对应的v
参考理论
，通过电阻箱阻值与对应的v
参考理论
建立阻值-电压模型，从而得到电压转换电阻公式；从而在计算单元接收到校准后的输入电压后能够根据电压转换电阻公式计算得到热敏电阻的阻值。
73.在得到热敏电阻的阻值后，计算单元即可按照提前输入的电阻-温度关系式计算得到对应的温度，随后将计算得到的温度通过无线传输的方式上传给显控单元，完成温度的测量，提高测量精度。