《電子技術(shù)應(yīng)用》
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熱電堆型總輻射傳感器設(shè)計(jì)與溫漂誤差修正
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
牛雅迪1，2，3，劉清惓1，2，3，曹鴻霞1，宿愷峰1
1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044； 2.江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044； 3.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044
摘要： 總輻射是氣象探測、太陽能資源利用等領(lǐng)域中的一種重要測量參數(shù)。針對環(huán)境溫度會影響總輻射測量準(zhǔn)確度的問題，提出了一種基于熱電效應(yīng)的總輻射傳感器設(shè)計(jì)，利用計(jì)算流體動力學(xué)方法對該傳感器探頭進(jìn)行了流-固耦合傳熱分析。設(shè)計(jì)了一種高精度溫度測量電路，搭建了測試平臺，對-20 ℃~40 ℃范圍的傳感器溫度特性進(jìn)行了測試，并提出了一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法消除環(huán)境溫度引起的總輻射測量誤差的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該熱電堆型總輻射傳感器的讀數(shù)精度可達(dá)2.79%，在氣象探測、光伏電站等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。
中圖分類號： TP212.9
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170485
中文引用格式： 牛雅迪，劉清惓，曹鴻霞，等. 熱電堆型總輻射傳感器設(shè)計(jì)與溫漂誤差修正[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：90-92，97.
英文引用格式： Niu Yadi，Liu Qingquan，Cao Hongxia，et al. Design and temperature drift error correction of a thermopile total solar radiation sensor[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：90-92，97.
Design and temperature drift error correction of a thermopile total solar radiation sensor
Niu Yadi1，2，3，Liu Qingquan1，2，3，Cao Hongxia1，Su Kaifeng1
1.College of Electronics and Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044，China； 2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Signal Processing，Nanjing 210044，China； 3.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210044，China
Abstract： Total solar radiation is an important measurement parameter in the field of meteorological observation. A total solar radiation sensor design based on the thermopile principle is proposed. A computational fluid dynamic method is utilized to analyze the heat transfer of the sensor probe. A high precision temperature measurement circuit is designed, while a test platform is built to obtain the temperature characteristics of the sensor in the range of -20 ℃~40 ℃. A method of eliminating the measurement error caused by ambient temperature using Back Propagation(BP) neural network algorithm has been proposed. The experimental results show that the reading accuracy is 2.79%. The sensor may find potential applications in meteorology and photovoltaic systems.
Key words : total solar radiation sensor；thermopile；BP neural network algorithm；computational fluid dynamics

0 引言

    太陽總輻射傳感器是一種重要的地面氣象觀測儀器，也是太陽能資源普查與光伏電站運(yùn)行監(jiān)控領(lǐng)域不可缺少的裝備。太陽總輻射傳感器按原理分為光電型和熱電型兩大類。響應(yīng)時間短是光電型傳感器的一大優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是難以在較寬的波長范圍內(nèi)找出光譜響應(yīng)一致的光電器件[1]。熱電型傳感器通常利用高發(fā)射率涂層吸收太陽輻射并轉(zhuǎn)化為溫差，對各種波長的輻射能有較一致的吸收性能[2]。

    環(huán)境溫度變化造成的溫漂誤差是影響總輻射傳感器測量精度的重要因素，荷蘭Kipp & Zonen公司研制的CMP 6是主流高精度總輻射傳感器，其溫度漂移誤差可達(dá)±4%，顯著高于±1%的非線性誤差和±1%的穩(wěn)定性誤差。為減小溫漂誤差，傳統(tǒng)方法通常采用模擬電路補(bǔ)償，但對于自身具有較大非線性或溫漂特性呈非線性的傳感器，采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒y以在滿量程范圍和較大環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)獲得較好的補(bǔ)償效果。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種利用高精度低噪聲測量電路和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)溫漂修正的總輻射傳感器。

1 熱電堆型總輻射傳感器探頭設(shè)計(jì)與CFD仿真

    本文設(shè)計(jì)了一種由感應(yīng)面、熱電堆和薄膜鉑電阻組成的傳感器探頭，如圖1所示。上層80 mm直徑的高熱導(dǎo)率銅片噴有高吸收率的啞光黑漆，可近似地認(rèn)為其接近朗伯體[2]，以此來吸收太陽輻射。

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    為提高靈敏度，該傳感器探頭的熱電堆由8組鎳鉻-康銅熱電偶串聯(lián)而成。熱電堆的8個熱端在上層銅片下表面，相應(yīng)的8個冷端固定在下層銅片上表面。為減少熱電偶自身的導(dǎo)熱，定制了一種0.127 mm直徑的熱電偶絲。該傳感器探頭采用鉑電阻為熱電堆提供了冷端溫度補(bǔ)償，同時也為后期溫漂修正提供了環(huán)境溫度補(bǔ)償[3]。

    為提高測量精度，需盡可能降低上感應(yīng)面升溫對下感應(yīng)面的傳熱。為定量分析探頭結(jié)構(gòu)的傳熱特性，利用ICEM CFD軟件對探頭的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用CFD軟件FLUENT對模型進(jìn)行流-固耦合傳熱分析[4]。設(shè)定太陽輻射強(qiáng)度、太陽高度角分別為1 000 W/m2、90°。根據(jù)仿真結(jié)果，距離上感應(yīng)面60 mm處的空氣溫度與環(huán)境溫度差小于0.01 ℃，其溫度場分布圖如圖2所示。因此，本文設(shè)計(jì)的傳感器探頭中兩感應(yīng)面之間采取60 mm的間距，以抑制空氣對流和支撐結(jié)構(gòu)的熱污染效應(yīng)。

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2 高精度測量電路設(shè)計(jì)

    該總輻射傳感器電路框圖如圖3所示，主要由Cortex-M3 ARM處理器 STM32F103VCT6、低噪聲線性電源以及高精度24位低噪聲模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794等部分組成。

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    采用噪聲1.2 μV、溫漂系數(shù)3 PPM/℃的外部基準(zhǔn)源ADR444為ADC提供基準(zhǔn)電壓；采用四線制接入鉑電阻方式，可降低由導(dǎo)線電阻引起的誤差[5]；采用精度為± 0.01%、5 PPM/℃溫漂的精密電阻作為參考電阻。

    利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794內(nèi)部的可編程增益放大器，對微弱熱電勢信號進(jìn)行放大。利用斬波方法，不但降低了熱電勢誤差和模擬輸入端的噪聲，亦提高了電壓測量的線性度。該ADC利用Sinc4濾波，可編程放大器增益為128倍時，其噪聲可低至80 nV。由實(shí)驗(yàn)測得的A/D轉(zhuǎn)換值就可以計(jì)算得到熱端和冷端(溫度分別為T和T0)在回路中產(chǎn)生的熱電動勢Ediff，其大小為：

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3 誤差修正算法設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建與數(shù)據(jù)分析

    實(shí)驗(yàn)平臺由熱電堆型總輻射測量系統(tǒng)、太陽光模擬器以及作為參考儀器的高精度輻射表組成。模擬太陽光照射到熱電堆型總輻射傳感器上時，傳感器的上層銅片會吸收熱能，從而與下層銅片產(chǎn)生溫差。將實(shí)驗(yàn)平臺置于高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，可在不同環(huán)境溫度下獲得總輻射傳感器的特性數(shù)據(jù)；通過調(diào)節(jié)太陽光模擬器的功率，可模擬不同太陽輻射強(qiáng)度。在環(huán)境溫度T0分別為

-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃，太陽輻射強(qiáng)度分別為400 W/m2、500 W/m2、600 W/m2、700 W/m2、800 W/m2、900 W/m2、1000 W/m2和1100 W/m2時測得的溫度差值如圖4所示。

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    由測量結(jié)果可知，環(huán)境溫度一定時，太陽輻射強(qiáng)度越大，傳感器的兩感應(yīng)面之間的溫度差值越大；太陽輻射強(qiáng)度一定時，環(huán)境溫度越高，傳感器的兩感應(yīng)面之間的溫度差值越大。對于1 000 W/m2的太陽輻射強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境溫度從-20 ℃變化至40 ℃時，熱電堆冷熱端的溫差可由50.1 ℃增加到57.6 ℃。如忽略傳感器的溫漂效應(yīng)，則產(chǎn)生的測量誤差可能達(dá)到15%以上。

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的溫漂修正方法

    本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到環(huán)境溫度、溫差與太陽總輻射的函數(shù)關(guān)系式R=f(T0，ΔT)。其中，R為太陽總輻射值，T0為環(huán)境溫度，ΔT為溫差。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存儲大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，使用最速下降法的學(xué)習(xí)規(guī)則，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。將擬合公式存入程序代碼中，就可通過測量環(huán)境溫度和溫差求出太陽總輻射值。

    設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元為2個，輸出層神經(jīng)元為1個，隱含層神經(jīng)元為5個。根據(jù)測量結(jié)果使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合得到三者之間關(guān)系：

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    輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)j=1、2，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)i=1、2、…、5，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)k=1。

    為驗(yàn)證該傳感器的性能，在中國氣象局綜合觀測(南京)基地進(jìn)行了外場測試。圖5所示為傳感器外場測試圖。

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    在實(shí)驗(yàn)中，取10組在不同的環(huán)境溫度下獲得的實(shí)測數(shù)據(jù)。將這10組數(shù)據(jù)與高精度太陽輻射表所測值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。該傳感器的均方根誤差為10.71 W/m2，相對誤差不大于2.79%，以0~1 000 W/m2作為量程時，滿量程誤差不大于1.66%。

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4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于鉑電阻和熱電堆的總輻射傳感器。利用CFD方法對該傳感器探頭進(jìn)行了流-固耦合傳熱分析，降低了上感應(yīng)面升溫對下感應(yīng)面的傳熱影響。為檢測熱電堆的微弱信號，設(shè)計(jì)了一種高精度溫度測量電路。為消除環(huán)境溫度對測量的影響，搭建了測試平臺，對-20 ℃~40 ℃范圍的傳感器溫度特性進(jìn)行了模擬測試，并提出了一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法消除環(huán)境溫度引起的測量誤差的新方法。外場測試結(jié)果表明，利用修正算法進(jìn)行誤差修正后，讀數(shù)精度可達(dá)2.79%，滿量程精度達(dá)1.66%，與國外主流傳感器4%的溫漂誤差相比，具有一定優(yōu)勢。該傳感器在氣象探測、光伏電站等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] KARIMOV K S，QAZI I，KHAN T A.Low temperature properties of organicinorganic Ag/p-CuPc/n-Ga As/Ag photoelectric sensor[J].Science in China(Series E：Technological Sciences)，2008，51(2)：153-161.

[2] 梁中翥.太陽輻射傳感器件[J].光機(jī)電信息，2011，28(9)：38-44.

[3] MUKHERJEE A，SARKAR D，SEN A.An analog signal conditioning circuit for thermocouple temperature sensor employing thermistor for cold junction compensation[C].2013 International Conference on Control，Automation，Robotics and Embedded Systems，2013：1-5.

[4] YANG J，LIU Q Q，DAI W.Temperature error correction method for a naturally ventilated radiation shield[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2016(149)：40-45.

[5] 王小飛，袁濤，張鐵冰.鉑電阻測溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用， 2005，31(9)：26-28.

[6] 吳來杰，嚴(yán)雋薇，劉敏.基于數(shù)值計(jì)算的熱電偶測溫[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(5)：94-95.



作者信息：

牛雅迪1，2，3，劉清惓1，2，3，曹鴻霞1，宿愷峰1

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044；

2.江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044；

3.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044）

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