【文章內(nèi)容簡介】 第 5 頁 共 40 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 緒論 溫度傳感器的 概念 溫度傳感器 是指 能感受溫度并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由 敏感元件 和轉(zhuǎn)換元件組成 。 溫度傳感器將檢測 到 的 溫度 信息按一定形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要 前提 。溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從 17 世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術(shù)的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN 結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 溫度 測量的意義 溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人們的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此溫度是一個十分重要的物理量 ,研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。 隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對生活環(huán)境要求的提高 ,人們也迫切需要檢測與控 制溫度 :如大氣及空調(diào)房中溫度的高低 ,直接影響著人們的身體健康；在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線上 ,環(huán) 境溫度不適當 ,會嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量；恒溫育苗室內(nèi)溫度的控制對育苗的質(zhì)量影響也很大。 溫度傳感器 作為在各種控制場合經(jīng)常使用的傳感器，它的性能好壞會直接影響到系統(tǒng)性能。因此，要選擇適當?shù)膫鞲衅?，不僅要掌握各種類型傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及性能指標，還必須懂得傳感器的信號應(yīng)該如何 獲取 、處理 。 現(xiàn)在越來越多的傳感器被用于各個領(lǐng)域，且為了提高自身的功效、時效及生產(chǎn)力，各領(lǐng)域的專家們也在自主研發(fā)適用于該領(lǐng)域的傳感器， 于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 常用溫度傳感器的分類 溫度傳感器是溫度測量儀表的核心 部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類 : 接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 6 頁 共 40 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。 非接觸式溫度傳感器，它的敏感元件與被測對象互不接觸 ，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。 溫度測量控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn) 狀 溫度測量是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科研等部門最普遍的測量項目。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代科學研究及高新技術(shù)開發(fā)過程中也是一個極其普遍而重要的測量參數(shù)。 在溫度測量方面各國均取得了很多成果 ,其中前蘇聯(lián)的壓電石英頻率溫度計分辨能力可達 ℃ ,理論上可達 ℃ ,而且在 40℃ ~230℃范圍內(nèi)具有溫度與頻率的線性特性 。日本利用所謂石英溫度頻率轉(zhuǎn)換器 80℃ ~200℃的溫度范圍 ,最大分辨率達 ℃ 。美國標準局研制的電阻溫度計 25歐標準鉑電阻溫度計 ,電橋分辨 ℃ 。我國生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨 率達到 ℃ ,誤差在 ℃以內(nèi) ,中國航天工業(yè)總公司 702所研制的 5901(STP1000)型粘貼式測溫片 ,其靜態(tài)測溫精度為 %,快速響應(yīng)時間小于 。 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測溫方法以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點 ,在未來溫度測量領(lǐng)域中 ,依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術(shù)的發(fā)展 ,其應(yīng)用范圍更加拓展。 1)薄膜溫度傳感器 在傳感器結(jié)構(gòu)改進方面 ,出現(xiàn)了薄膜溫度傳感器 ,它是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的新型微傳感器 ,其敏感元件為微米級的薄膜 ,具有體積小、熱擾動小、熱動 態(tài)響應(yīng)時間短、靈敏度高、便于集成和安裝的特點 ,并且具有耐磨、耐壓、耐熱沖擊和抗剝離的優(yōu)良性能 ,特別適合于微尺度或小空間溫度測量、表面溫度的測量等場合。近年來發(fā)展的陶瓷薄膜熱電偶 ,可以測量更高的溫度 ,克服了金屬薄膜熱電偶的一些催化效應(yīng)和冶金效應(yīng)等缺點 ,在高溫表面溫度測量領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。 2)輻射測溫技術(shù) 隨著光電和紅外探測器的發(fā)展 ,出現(xiàn)了多種多樣的紅外測溫儀 ,紅外測溫技術(shù)得到了更多的應(yīng)用。具體表現(xiàn)在 :(1)測溫范圍從高溫、中溫向中、低溫部分拓展 。(2)準確度和穩(wěn)定性更高 。(3)工作波段多樣化 , 可根據(jù)被測對 象的特性選 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 7 頁 共 40 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 擇 。(4)從點測量發(fā)展到二維面測量 。(5)紅外測溫儀具有小型化和智能化的特點。 3)光纖測溫技術(shù) 黑體空腔式光纖高溫計是由黑體空腔與被測介質(zhì)達到溫度平衡 ,通過光纖將黑體腔的輻射能量傳輸給光電探測器件 ,從而實現(xiàn)溫度測量。如藍寶石黑體空腔式光纖高溫計 ,具有測溫高、響應(yīng)快、壽命長的特點 ,可以部分取代貴金屬熱電偶。還有一種測量鋼水溫度的消耗型光纖溫度傳感器 ,也是基于以上原理 ,由普通石英光纖實現(xiàn)測溫 ,因其價格低、準確度高的特點可以取代消耗型貴金屬熱電偶。 基于 Pt1000 的高精度溫度采集系統(tǒng) 研究意義 在工業(yè)和醫(yī)學等諸多領(lǐng)域，高精度的溫度測量都有著很廣泛的應(yīng)用。例如在煉鐵生產(chǎn)中 , 操作人員經(jīng)常要檢測和觀察高爐冷卻水包的進、出水溫差。該溫差可反映高爐的完好和運行情況以首鋼集團遷安鋼鐵廠高爐為例 , 爐喉冷卻水的進、出水溫差應(yīng)該在 0. 3~ ℃ , 如果進、出水溫差超出這個范圍 , 工作人員就要采取相應(yīng)措施 。 如超過 ℃ 就意味著出現(xiàn)事故 , 人員可能就要撤離。因此水溫差測量是煉鐵過程中的一項重要工作 , 水溫差測量的精度 要求也很高 [6]。 在煤礦和火電廠廣泛應(yīng)用的煤質(zhì)分析儀中，需要對一定質(zhì)量的 煤燃燒后所導致的一定質(zhì)量的水的溫度變化進行精確測量，并根據(jù)水溫變化幅度對煤的質(zhì)量進行評估 。 在醫(yī)學上用于生命科學研究和基因診斷 的 PCR(聚合酶鏈式反應(yīng) )熱循環(huán)儀中，也同樣需要對水或油的溫度變化進行精確的測量。高精度的溫度測量能夠提高生產(chǎn)的安全性和產(chǎn)品質(zhì)量。 待解決的問題 精密化學、生物醫(yī)藥、精細化工、精密儀器等領(lǐng)域?qū)囟瓤刂凭鹊囊髽O高，而溫度控制的核心正是溫度測量。采用鉑電阻測量溫度是一種有效的高精度溫度測量方法，但具有以下難點：引線電阻、自熱效應(yīng)、外部噪聲的干擾、元器件漂移和鉑電阻傳感器精度 。其中，減小引線電阻的影響是高精度測量的關(guān)鍵點。對于自熱效應(yīng)，根據(jù)元件發(fā)熱公式 P=I2R，必須使流過元件的電流足夠小才能使其發(fā)熱量小，傳感器才能檢測出正確的溫度。但是過小的電流又會使信噪比下降，精度更是難以保證。此外，一些元器件和儀器很難滿足元器件漂移和鉑電阻傳感器精度的要求。 研究內(nèi)容 本設(shè)計以飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機 為溫度采集系統(tǒng)的控制器，首先介紹了 熱電阻 的基本原理 ，然后依次介紹單片機各個 模塊 的功能，之后又分別簡單 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 8 頁 共 40 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 介紹了 CodeWarrior 、 Protel DXP 及 Visual Basic 等軟件，最后介紹了 溫度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計及其相關(guān)模塊 ，另外 還 設(shè)計了 整個系統(tǒng)的 程序算法。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 9 頁 共 40 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 傳感器、單片機及開發(fā)工具 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫 度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。 熱電阻的組成結(jié)構(gòu) 金屬熱電阻的感溫 元件 有石英套管十字骨架結(jié)構(gòu)，麻花骨架結(jié)構(gòu)得桿式結(jié)構(gòu)等。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，最常用的是鉑絲。 工業(yè)測量 用金屬熱電阻材料除鉑絲外，還有銅、鎳、鐵、鐵 —鎳 、 鎢 、 銀 等。薄膜熱電阻是利用電子陰極濺射的方法制造，可實現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)。其中骨架用陶瓷，引線采用鉑鈀合金。 工作原理 熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻通常需要把電阻 信號 通過引線傳遞到 計算機 控制裝置或者其它 一 次儀表 上。 熱電阻 接線 熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要 把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。 工業(yè)用熱電阻 安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對 測量結(jié)果 會有較大的影響。目前熱電阻的引線主要有三種方式： 二線制 、 三線制 、 四線制 ，如下圖所示： BARt 圖 (a) 兩線制 CBARt 圖 (b) 三線制