【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 規(guī)模集成電路生產(chǎn)線上,環(huán)境溫度不適當(dāng),會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量；恒溫育苗室內(nèi)溫度的控制對(duì)育苗的質(zhì)量影響也很大。溫度傳感器作為在各種控制場(chǎng)合經(jīng)常使用的傳感器，它的性能好壞會(huì)直接影響到系統(tǒng)性能。因此，要選擇適當(dāng)?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(biāo)，還必須懂得傳感器的信號(hào)應(yīng)該如何獲取、處理?，F(xiàn)在越來(lái)越多的傳感器被用于各個(gè)領(lǐng)域，且為了提高自身的功效、時(shí)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(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)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(cè)部分與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。溫度計(jì)通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測(cè)對(duì)象的溫度。一般測(cè)量精度較高。在一定的測(cè)溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對(duì)象則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 6 頁(yè) 共 40 頁(yè) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、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(cè)對(duì)象互不接觸，又稱非接觸式測(cè)溫儀表。這種儀表可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。最常用的非接觸式測(cè)溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測(cè)溫儀表。輻射測(cè)溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計(jì)） 、輻射法（見輻射高溫計(jì)）和比色法（見比色溫度計(jì)） 。各類輻射測(cè)溫方法只能測(cè)出對(duì)應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對(duì)黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測(cè)溫度才是真實(shí)溫度。如欲測(cè)定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。 溫度測(cè)量控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀溫度測(cè)量是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科研等部門最普遍的測(cè)量項(xiàng)目。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代科學(xué)研究及高新技術(shù)開發(fā)過(guò)程中也是一個(gè)極其普遍而重要的測(cè)量參數(shù)。在溫度測(cè)量方面各國(guó)均取得了很多成果,其中前蘇聯(lián)的壓電石英頻率溫度計(jì)分辨能力可達(dá) ℃,理論上可達(dá) ℃,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(dá) ℃。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局研制的電阻溫度計(jì) 25 歐標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì),電橋分辨 ℃。我國(guó)生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達(dá)到℃,誤差在 ℃以內(nèi),中國(guó)航天工業(yè)總公司 702 所研制的 5901(STP1000)型粘貼式測(cè)溫片,其靜態(tài)測(cè)溫精度為 %,快速響應(yīng)時(shí)間小于 。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測(cè)溫方法以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn),在未來(lái)溫度測(cè)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(jìn)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(lái)的新型微傳感器,其敏感元件為微米級(jí)的薄膜,具有體積小、熱擾動(dòng)小、熱動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、便于集成和安裝的特點(diǎn),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(cè)量、表面溫度的測(cè)量等場(chǎng)合。近年來(lái)發(fā)展的陶瓷薄膜熱電偶,可以測(cè)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(diǎn),在高溫表面溫度測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。2)輻射測(cè)溫技術(shù)隨著光電和紅外探測(cè)器的發(fā)展,出現(xiàn)了多種多樣的紅外測(cè)溫儀,紅外測(cè)溫技術(shù)得到了更多的應(yīng)用。具體表現(xiàn)在:(1)測(cè)溫范圍從高溫、中溫向中、低溫部分拓展。(2)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性更高。(3)工作波段多樣化, 可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特性選 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 7 頁(yè) 共 40 頁(yè) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊擇。(4)從點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到二維面測(cè)量。(5)紅外測(cè)溫儀具有小型化和智能化的特點(diǎn)。3)光纖測(cè)溫技術(shù)黑體空腔式光纖高溫計(jì)是由黑體空腔與被測(cè)介質(zhì)達(dá)到溫度平衡,通過(guò)光纖將黑體腔的輻射能量傳輸給光電探測(cè)器件,從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。如藍(lán)寶石黑體空腔式光纖高溫計(jì),具有測(cè)溫高、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),可以部分取代貴金屬熱電偶。還有一種測(cè)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(shí)現(xiàn)測(cè)溫,因其價(jià)格低、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)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(xué)等諸多領(lǐng)域，高精度的溫度測(cè)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(cè)和觀察高爐冷卻水包的進(jìn)、出水溫差。該溫差可反映高爐的完好和運(yùn)行情況以首鋼集團(tuán)遷安鋼鐵廠高爐為例, 爐喉冷卻水的進(jìn)、出水溫差應(yīng)該在 0. 3~ ℃ , 如果進(jìn)、出水溫差超出這個(gè)范圍, 工作人員就要采取相應(yīng)措施。 如超過(guò) ℃ 就意味著出現(xiàn)事故 , 人員可能就要撤離。因此水溫差測(cè)量是煉鐵過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作, 水溫差測(cè)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(duì)一定質(zhì)量的煤燃燒后所導(dǎo)致的一定質(zhì)量的水的溫度變化進(jìn)行精確測(cè)量，并根據(jù)水溫變化幅度對(duì)煤的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。在醫(yī)學(xué)上用于生命科學(xué)研究和基因診斷的 PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) )熱循環(huán)儀中，也同樣需要對(duì)水或油的溫度變化進(jìn)行精確的測(cè)量。高精度的溫度測(cè)量能夠提高生產(chǎn)的安全性和產(chǎn)品質(zhì)量。 待解決的問(wèn)題精密化學(xué)、生物醫(yī)藥、精細(xì)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(cè)量。采用鉑電阻測(cè)量溫度是一種有效的高精度溫度測(cè)量方法，但具有以下難點(diǎn)：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(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于自熱效應(yīng)，根據(jù)元件發(fā)熱公式 P=I2R，必須使流過(guò)元件的電流足夠小才能使其發(fā)熱量小，傳感器才能檢測(cè)出正確的溫度。但是過(guò)小的電流又會(huì)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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 8 頁(yè) 共 40 頁(yè) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 本文研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)以飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機(jī)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(jī)各個(gè)模塊的功能，之后又分別簡(jiǎn)單介紹了 CodeWarrior 、Protel DXP 及 Visual Basic 等軟件，最后介紹了溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及其相關(guān)模塊，另外還設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的程序算法。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 9 頁(yè) 共 40 頁(yè) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第二章 傳感器、單片機(jī)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(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)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(cè)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(shí)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(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)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(hào)通過(guò)引線傳遞到計(jì)算機(jī)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(hào)通過(guò)引線傳遞到計(jì)算機(jī)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(chǎng)，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)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：BAR t圖 (a) 兩線制CBAR t圖 (b) 三線制DBAR tC圖 (c) 四線制 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 10 頁(yè) 共 40 頁(yè) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 兩線制： 在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫二線制，如圖 (a)所示。這種引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r 大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合。 三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，如圖 (b)所示，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的最常用的。三線制要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長(zhǎng)度均相同，測(cè)量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，通過(guò)計(jì)算可知： (21)131t22Rr= +其中 r 為導(dǎo)線等效電阻，當(dāng) R1=R2 時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響，但分析可見，采用三線制會(huì)大大減小導(dǎo)線電阻帶來(lái)的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。四線制: 在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，如圖(c)所示，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。四線制是當(dāng)測(cè)量電阻數(shù)值很小時(shí)，測(cè)試線的電阻可能引入明顯誤差，四線測(cè)量用兩條附加測(cè)試線提供恒定電流，另兩條測(cè)試線測(cè)量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過(guò)電壓表，這樣就可以精確測(cè)量未知電阻上的壓降，通過(guò)計(jì)算得出電阻值。 熱電阻 Pt1000 介紹 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 11 頁(yè) 共 40 頁(yè)