本發(fā)明涉及一種檢測(cè)裝置，尤其涉及一種恒溫槽自動(dòng)檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

恒溫槽就是能提供恒定溫度的槽體。可分為恒溫空氣（通常稱作恒溫箱）、恒溫液體（通常稱作恒溫槽）。由于恒溫的液體溫度范圍不同，又分為低溫恒溫槽（一般是-40℃～100℃）、超級(jí)恒溫槽（一般是室溫～300℃）。又因?yàn)?00℃以上的液體介質(zhì)不能用水而用油，通常又稱為油槽。恒溫槽的同名也有很多，比如恒溫水油槽、恒溫水浴鍋、恒溫水箱、恒溫循環(huán)器、電熱恒溫水浴等等，它們一般都是通過(guò)電阻絲來(lái)加熱、壓縮機(jī)制冷，輔助配以PID控制器，恒定一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的溫度，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。恒溫槽?yīng)用廣泛，主要指標(biāo)是溫度偏差、溫場(chǎng)穩(wěn)定性和溫場(chǎng)均勻性。

《恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試規(guī)范(JJF 1030-2010)》適用于檢定或校準(zhǔn)用液體恒溫槽溫度穩(wěn)定性和均勻性的測(cè)試。由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2010.09.06發(fā)布，自2011.03.06起實(shí)施。歸口單位：全國(guó)溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)。主管部門：全國(guó)溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)。起草單位：北京計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院等，后文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)定位和溫度采集密切配合的恒溫槽自動(dòng)檢測(cè)裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：恒溫槽自動(dòng)檢測(cè)裝置是機(jī)電一體化設(shè)備，包括嵌入式控制模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊。嵌入式控制模塊是控制單元，控制電機(jī)模塊的運(yùn)行，電機(jī)模塊上兩塊步進(jìn)電機(jī)的精密轉(zhuǎn)動(dòng)完成溫度計(jì)的定位。溫度計(jì)定位穩(wěn)定后，控制單元完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理；實(shí)驗(yàn)電流選定恒流源電流為1mA。

所述的嵌入式控制模塊是觸摸屏控制顯示界面，實(shí)現(xiàn)溫度采集、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理輸出等。電路采用低噪聲可編程增益儀表放大器，當(dāng)增益設(shè)置為64、更新速率為4.17Hz時(shí)，均方根（RMS）噪聲為40nV。

所述的溫度采集選用鉑電阻溫度計(jì)，采用四線制連接方法連接，參考電阻選用1KΩ、0.01％精度、溫漂5ppm／℃的精密電阻，變化10℃的理論影響量為50nV。并由24 位Σ－Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度高精度采集。

所述的步進(jìn)電機(jī)模塊主要包括兩只機(jī)械臂、兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、豎直和水平方向的鋸齒軌道。步進(jìn)電機(jī)模塊是機(jī)械傳動(dòng)裝置，該裝置的機(jī)械臂由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)所控制，安置在恒溫槽上時(shí)，機(jī)械臂可以在水平方向、垂直方向上自由移動(dòng)。兩支機(jī)械臂上各固定一支鉑電阻溫度計(jì)，控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)在恒溫槽內(nèi)半徑60mm、深度50mm～400mm范圍的布點(diǎn)測(cè)試。

所述的豎直方向的鋸齒軌道長(zhǎng)500mm,水平方向的鋸齒軌道為一環(huán)形半徑為600mm的圓形鋸齒軌道，兩塊步進(jìn)電機(jī)分別控制溫度計(jì)在兩段軌道上移動(dòng)，完成溫度計(jì)的定位。

所述的溫度計(jì)的定位方法采用參考定位法，設(shè)置一參考點(diǎn)。不同位置的定位，都以該位置在水平、豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)到參考點(diǎn)的圈數(shù)來(lái)定位。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明依據(jù)《規(guī)范》設(shè)計(jì)了恒溫槽自動(dòng)檢測(cè)裝置，從部分硬件原理和不確定分析兩方面對(duì)恒溫槽自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了敘述。在設(shè)計(jì)思路上，充分考慮了模擬信號(hào)的復(fù)雜、不穩(wěn)定性，溫度采集使用高性能的AD芯片，將A轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)集成在一塊芯片中，實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量；合理控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)定位和溫度采集密切配合，提高測(cè)量的可靠性。

具體實(shí)施方案

本檢測(cè)裝置是機(jī)電一體化設(shè)備，包括嵌入式控制模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊。嵌入式控制模塊是控制單元，控制電機(jī)模塊的運(yùn)行，電機(jī)模塊上兩塊步進(jìn)電機(jī)的精密轉(zhuǎn)動(dòng)完成溫度計(jì)的定位。溫度計(jì)定位穩(wěn)定后，控制單元完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理。嵌入式控制模塊是觸摸屏控制顯示界面，實(shí)現(xiàn)溫度采集、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理輸出等。溫度采集采用傳感器的四線制連接方法，并由24位Σ－Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度高精度采集。四線制連接方法的計(jì)算公式由設(shè)計(jì)的硬件電路決定，公式分析如下：

U_AIN＝U_AIN＋－U_AIN－＝i×R_ｘ

U_ref＝i×R_ref。

式中：U_AIN—前置放大器前段電壓值；R_ｘ—傳感器電阻值；R_ref—參考電阻值；R_l—四根傳感器的引線電阻，引線電阻為主要影響量。

編碼輸出的數(shù)字量由U_AIN與U_ref的比值決定，計(jì)算表達(dá)式為：

code＝2N×gain×U_AIN / U_ref＝2^N×gain×RｘR_ｘ/R_ref 。

由上式可知，N＝24，四線制連接方法的采集精度的高低主要受R_ref、gain影響，不受導(dǎo)線電阻、電流的影響，本文采用了1KΩ，0.01％精度，溫漂5ppm/℃的精密電阻作為參考電阻，變化10℃的理論影響量為50nV。同時(shí)，電路采用低噪聲可編程增益儀表放大器，當(dāng)增益設(shè)置為64、更新速率為4.17Hz 時(shí)，均方根（RMS）噪聲為40nV。影響量很小，能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

該裝置實(shí)現(xiàn)了－30℃～＋300℃范圍內(nèi)0.001℃的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)電流選定恒流源電流為1mA，傳感器選定標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻是計(jì)量傳遞常用的電阻型傳感器，其溫度特性穩(wěn)定，且精度高。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在檢定有效期內(nèi)，都有可靠的性能參數(shù)Rtp、a8、b8、a4、b4，這五個(gè)參數(shù)用來(lái)分度溫度實(shí)測(cè)值。

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量電阻范圍為（20～60）Ω，可以涵蓋－30℃～＋300℃的測(cè)量區(qū)間。選定gain為16時(shí)，測(cè)量電壓不會(huì)超過(guò)基準(zhǔn)電壓。將電阻值代入公式可計(jì)算出編碼區(qū)間，最大范圍0x5fffff～0xffffff，而實(shí)際有效位數(shù)為20位，采集的有效范圍為0x5ffff ～0xeffff，包含需要顯示的溫度范圍－30.001℃～＋300.000℃，理論驗(yàn)證結(jié)果可以滿足高精度的采集。

溫度采集的通道不一樣，需要對(duì)兩個(gè)通道的電阻采集進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)前選購(gòu)了精密電阻20Ω和60Ω，精度為十萬(wàn)分之一，溫漂系數(shù)為2ppm／℃，標(biāo)稱值分別為r20、r60。儀表兩通道分別在20Ω和60Ω校準(zhǔn)后，某通道測(cè)得值為R20、R60。這校準(zhǔn)公式為：

R(t)＝r20＋(r60－r20)/(R60－R20)×（Rx－R20） 。

將修正后的R(t)代入公式，算出實(shí)際溫度值。校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性由恒溫槽的穩(wěn)定性、溫度計(jì)穩(wěn)定性和儀表的的準(zhǔn)確性決定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，校準(zhǔn)不確定度僅為1mK，大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。溫度采集還涉及到溫度的顯示、單位的換算、溫度值的保存等，本文不再贅述。

步進(jìn)電機(jī)模塊是機(jī)械傳動(dòng)裝置，該裝置的機(jī)械臂由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)所控制，安置在恒溫槽上時(shí)，機(jī)械臂可以在水平方向、垂直方向上自由移動(dòng)。兩支機(jī)械臂上各固定一支鉑電阻溫度計(jì)，控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)在恒溫槽內(nèi)半徑60mm、深度50mm ～400mm 范圍的布點(diǎn)測(cè)試。本文是按照《規(guī)范》所要求的，設(shè)置測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量次數(shù)，提高測(cè)量的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。

恒溫槽一般為圓筒形，固定溫度計(jì)固定不動(dòng)，主要定位另一支移動(dòng)溫度計(jì)。在豎直方向上設(shè)計(jì)一段500mm長(zhǎng)的鋸齒軌道，水平方向上設(shè)計(jì)一環(huán)形半徑為60mm 的圓形鋸齒軌道，兩塊步進(jìn)電機(jī)分別控制溫度計(jì)在兩段軌道上移動(dòng)，完成溫度計(jì)的定位。

溫度計(jì)的定位方法采用參考定位法，設(shè)置一參考點(diǎn)。不同位置的定位，都以該位置在水平、豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)到參考點(diǎn)的圈數(shù)來(lái)定位。測(cè)試開始時(shí)，兩步進(jìn)電機(jī)超參考點(diǎn)方向旋轉(zhuǎn)，溫度計(jì)會(huì)移動(dòng)到參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)位置設(shè)置了反應(yīng)靈敏的接觸開關(guān)，當(dāng)溫度計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)到參考點(diǎn)會(huì)碰觸到開關(guān)，溫度計(jì)受控制器控制停在參考點(diǎn)。由《規(guī)范》可知，在上水平面布四個(gè)點(diǎn)A、B、C、D，下水平面布四個(gè)點(diǎn)E、F、G、H。自動(dòng)檢測(cè)儀以A 點(diǎn)為參考點(diǎn)，先測(cè)量A點(diǎn)溫度，測(cè)量10 次后，豎直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)，控制移動(dòng)溫度計(jì)到達(dá)E點(diǎn)完成測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)水平電機(jī)，溫度計(jì)測(cè)量F點(diǎn)溫度，依次完成B、C、GH、D點(diǎn)的溫度測(cè)試。轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與軌道的齒距、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩有關(guān)，通過(guò)理論計(jì)算和多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法來(lái)確定位置間切換的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)?？刂破魍ㄟ^(guò)尋找溫度計(jì)的參考點(diǎn)和對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的控制，來(lái)完成對(duì)溫度計(jì)的科學(xué)定位，完成對(duì)恒溫槽的有效檢測(cè)。