[发明专利]利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法

说明书

本发明涉及一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法，包括：测温电阻，为待测样品；热噪声电压提取系统，用于采集并放大总噪声电压；热噪声电压提取系统包括前置放大器和带通滤波器，前置放大器与测温电阻双通道差分连接，带通滤波器用于设置测量的总噪声电压的带宽和增益；温度输出系统，包括电压采集卡和计算机，前置放大器输出端与电压采集卡输入端串联，电压采集卡输出端与计算机串联；电压采集卡用于采集热噪声电压提取系统输出的总噪声电压并输出至计算机，由计算机处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并计算得到测温电阻的温度后输出。本发明利用电阻本身的热噪声电压，不需要标定，并能够在极端的条件下测试温度。

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其是一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法。

背景技术

现有技术中，对温度的测量主要有热电偶测试法、电阻测量法和二极管测量法。无论哪一种测温方法，都需要进行温度校准，以热电偶测试法举例：在热电偶制作完成后，需要进行基础校准，即将热电偶通过特定电路信号设计以获得一个较为准确的补偿温度，譬如零摄氏度，在此基础上，通过对比该温度与目标样品的温度差而获得准确的温度。由于校准后的补偿温度会随着时间而发生漂移，在一些高温严酷条件下使用热电偶测温，甚至需要更频繁的校准，耗费大量的时间，无法快速获得精确的温度。另外，由于金属的温度-电阻关系在极低温/极高温(40K以下或1000K以上)时会失效，所以传统的测试温度方法的测量范围有较大的局限性。

根据能量耗散理论，电阻在温度的影响下，电阻内的自由电子发生热扰动会在电阻两端产生一个电信号，称之为热噪声电压信号。通常热噪声电压信号在电路中属于干扰信号，需要专门进行消除。然而，热噪声电压信号还有着非常重要的物理意义，它和该电阻的绝对温度一一对应。因此只要分析电阻两端的热噪声电压信号，就可以获得所需温度。根据奈奎斯特噪声定理,这种方法测试的温度是绝对温度，不需要进行任何温度校准，且其测试温度的范围也不受限制。本发明正是基于该理论而设计出的一种可靠测试方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统及方法，解决了常规测温法需要提前标定温度的问题，也弥补了在极端条件下传统测温方法失效的缺点。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统，包括：

测温电阻，为待测样品；

热噪声电压提取系统，用于采集并放大总噪声电压；热噪声电压提取系统包括前置放大器和带通滤波器,所述前置放大器与所述测温电阻双通道差分连接，所述带通滤波器用于设置测量的总噪声电压的带宽和增益；

温度输出系统，包括电压采集卡和计算机，所述前置放大器输出端与所述电压采集卡输入端串联，所述电压采集卡输出端与所述计算机串联；所述电压采集卡用于采集所述热噪声电压提取系统输出的总噪声电压并输出至计算机，由计算机处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并计算得到测温电阻的温度后输出。

所述测温电阻的电阻值为10kΩ至80kΩ。

一种利用所述利用电阻热噪声电压测量电阻元件温度的系统的电阻元件温度测量的方法，根据用户所要求的热噪声电压的测温误差以及设备可调整参数的极限，选择热噪声电压提取系统的最佳测试带宽、以及电压采集卡的采样时间，电压采集卡的采样率设置为大于测试信号最高频率的两倍；

设置热噪声电压提取系统为低噪声放大模式，保证热噪声电压提取系统可以迅速的将热噪声电压放大到一个可测量的水平；然后根据温度输出系统的分辨率来设置热噪声电压提取系统的增益，保证温度输出系统能获得微小的热噪声电压信号，进而转化为温度输出；

将总噪声电压处理得到测温电阻的热噪声电压信号，并输出测温电阻的温度的方法如下：