在測(cè)量溫度、壓力、流量和姿態(tài)等真實(shí)世界中的物理參數(shù)時(shí)，往往必須從許多信號(hào)特性差異很大的換能器中提取數(shù)據(jù)。這些換能器所產(chǎn)生的信號(hào)可能包括高壓、低壓、電流、頻率或者脈沖數(shù)據(jù)，而每一種信號(hào)都會(huì)為工程師的測(cè)量帶來(lái)一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。其中，溫度是迄今為止最常被測(cè)量的參數(shù)，熱電偶則是在溫度測(cè)量應(yīng)用中最主要的測(cè)量設(shè)備。 熱電偶的物理特性對(duì)用戶(hù)的使用提出了許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。首先，必須將它產(chǎn)生的低電平信號(hào)放大，然后還要濾除其中的高頻分量和噪聲，同時(shí)，還必須小心降低鄰道的干擾。很明顯，要保證熱電偶測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確并可重復(fù)，信號(hào)調(diào)理是十分關(guān)鍵的一環(huán)。 熱電偶換能器在兩片異金屬相互接觸時(shí)產(chǎn)生一個(gè)低電平的電壓，該電壓通常被稱(chēng)作溫差電動(dòng)勢(shì)，信號(hào)強(qiáng)度在毫伏級(jí)。例如，一個(gè)滿(mǎn)幅工作范圍約為60mv的k型熱電偶在1°c下會(huì)產(chǎn)生39uv的電壓。典型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的輸入電壓范圍一般為±10v，因而為了獲得最佳電壓分辨率，就必須將信號(hào)電平放大。 圖1：高精度熱電偶和高速電壓測(cè)量。

     放大級(jí)的作用就是保證將信號(hào)放大到即使十分精細(xì)的溫度變化都能被分辨出來(lái)的程度。當(dāng)增益為100時(shí)，一個(gè)k型熱電偶在1200°c時(shí)的測(cè)量結(jié)果(48.838 mv)將被放大到4.8838 v。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)這一必需的放大環(huán)節(jié)，測(cè)量結(jié)果的分辨率就會(huì)大大降低，也更容易受噪聲波動(dòng)影響。 模擬濾波 熱電偶輸出的毫伏級(jí)信號(hào)也很容易受60hz干擾的影響，因此儀器必須提供很好的帶寬限制才能對(duì)抗這種干擾。這一點(diǎn)在工業(yè)環(huán)境下尤其重要，因?yàn)樵诠I(yè)環(huán)境下，熱電偶暴露在發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、焊接設(shè)備、照明設(shè)備等干擾源產(chǎn)生的嚴(yán)重電子干擾之下。 諸如基于dmm的系統(tǒng)之類(lèi)的許多熱電偶測(cè)量設(shè)備都能提供一定程度的可編程60hz濾波能力，但這種帶寬限制是通過(guò)設(shè)置adc的積分速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在整數(shù)個(gè)公頻周期(power line cycle, plc)上積分，能夠改善60hz濾波的性能，降低60hz噪聲的影響，但卻會(huì)嚴(yán)重降低通道采樣率。而且由于60hz濾波設(shè)置是一個(gè)全局設(shè)置，即便只有一個(gè)通道需要60hz濾波，系統(tǒng)中所有通道都只能按照降低了的速度采樣。 那些顯然是用于降低成本的基于pc的中繼多路設(shè)備(relay multiplexer)通常并不提供任何模擬濾波，而是依靠平均的辦法或者其他軟件技術(shù)來(lái)處理數(shù)據(jù)。在測(cè)量頻譜內(nèi)需要獲得十分準(zhǔn)確和干凈的數(shù)據(jù)時(shí)，這種處理方式就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，這時(shí)若想提高信號(hào)完整性，就必需添加額外的外部濾波電路。 真正領(lǐng)先的儀器設(shè)計(jì)師們并不會(huì)依靠adc，也不靠軟件過(guò)采樣和平均技術(shù)，而是在每個(gè)通道的信號(hào)調(diào)理通路上提供帶寬限制，這樣就能獨(dú)立設(shè)置每個(gè)通道的截止頻率。 有一種靈活的方法(例如在vxi技術(shù)公司的ex1048中采用的方法)，能對(duì)不同通道設(shè)置不同的截止頻率范圍，即在4 hz帶寬和1khz帶寬之間作出選擇。4 hz適合大多數(shù)熱電偶和低電壓測(cè)量，它對(duì)60 hz的濾波性能最好；1 khz則適合高精度熱電偶和高速電壓測(cè)量(圖1)。 冷端補(bǔ)償(cold junction compensation) 在高精度溫度測(cè)量中，濾波抗噪和信號(hào)放大只是其中的一部分。事實(shí)證明，冷端補(bǔ)償(cjc)電路才是高精度熱電偶的核心。即使是熱質(zhì)量很大的隔熱模塊，其溫度也會(huì)緩慢隨周?chē)h(huán)境同向變化，因此如果過(guò)低估計(jì)或者不能正確處理這些效應(yīng)，那么測(cè)量誤差就在所難免。 pc卡多路器和基于dmm的系統(tǒng)測(cè)量精度通常約為1.0°~1.5°，這個(gè)精度范圍所表達(dá)的不確定性源于多種原因，其中包括隔熱模塊熱質(zhì)量過(guò)低， cjc傳感器位置錯(cuò)誤或個(gè)數(shù)不足，終端模塊與相鄰熱源(例如電源)的相對(duì)位置不佳，以及顯示的問(wèn)題。另外，大多數(shù)儀器中測(cè)量誤差過(guò)大都?xì)w因于cjc傳感器電路設(shè)計(jì)不佳和cjc輸入的熱耦合機(jī)制不良。 象ex1048這樣的精確測(cè)溫儀器通常都結(jié)合了多種高精度的cjc機(jī)制，具有較大的熱質(zhì)量，產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度的部件放置位置考究，而且還具備自校準(zhǔn)功能。cjc傳感器通常采用高精度熱敏電阻，這些傳感器往往放在隔熱模塊上的關(guān)鍵位置處。當(dāng)系統(tǒng)中通道個(gè)數(shù)較多時(shí)，帶熱敏電阻的隔熱模塊數(shù)目也會(huì)增多，以消除不同連接點(diǎn)之間的溫度測(cè)量造成的誤差(圖2)。注意了這些細(xì)節(jié)之后，儀器的系統(tǒng)級(jí)測(cè)量精度就可能達(dá)到0.2°c到0.4°c。 圖2：當(dāng)系統(tǒng)中通道個(gè)數(shù)較多時(shí)，

     帶熱敏電阻的隔熱模塊

     數(shù)目也會(huì)增多，以消除不同

     連接點(diǎn)之間的溫度測(cè)量造成的誤差。

     信號(hào)多路化 當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)了良好的濾波和放大，而且得到的cjc信號(hào)也很精確時(shí)，從信號(hào)調(diào)理的角度來(lái)看，adc仍可能對(duì)測(cè)量的精確性造成嚴(yán)重影響。