【文章內容簡介】 規(guī)模集成電路生產線上,環(huán)境溫度不適當,會嚴重影響產品的質量；恒溫育苗室內溫度的控制對育苗的質量影響也很大。溫度傳感器作為在各種控制場合經常使用的傳感器，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構、原理及性能指標，還必須懂得傳感器的信號應該如何獲取、處理?，F(xiàn)在越來越多的傳感器被用于各個領域，且為了提高自身的功效、時效及生產力，各領域的專家們也在自主研發(fā)適用于該領域的傳感器，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。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，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，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 6 頁 共 40 頁 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊差，常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。它們廣泛應用于工業(yè)、農業(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。 溫度測量控制技術的國內外研究現(xiàn)狀溫度測量是工業(yè)、農業(yè)、國防和科研等部門最普遍的測量項目。它在工農業(yè)生產、現(xiàn)代科學研究及高新技術開發(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 ℃。我國生產的石英溫度傳感器分辨率達到℃,誤差在 ℃以內,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 %,快速響應時間小于 。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測溫方法以其技術成熟、結構簡單、使用方便等特點,在未來溫度測量領域中,依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術的發(fā)展,其應用范圍更加拓展。1)薄膜溫度傳感器在傳感器結構改進方面,出現(xiàn)了薄膜溫度傳感器,它是隨著薄膜技術的成熟而發(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和冶金效應等缺點,在高溫表面溫度測量領域應用更為廣泛。2)輻射測溫技術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,紅外測溫技術得到了更多的應用。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)光纖測溫技術黑體空腔式光纖高溫計是由黑體空腔與被測介質達到溫度平衡,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)學等諸多領域，高精度的溫度測量都有著很廣泛的應用。例如在煉鐵生產中, 操作人員經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用的煤質分析儀中，需要對一定質量的煤燃燒后所導致的一定質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 )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的安全性和產品質量。 待解決的問題精密化學、生物醫(yī)藥、精細化工、精密儀器等領域對溫度控制精度的要求極高，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、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鍵點。對于自熱效應，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。 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 8 頁 共 40 頁 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 本文研究內容 本設計以飛思卡爾 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)的總體設計及其相關模塊，另外還設計了整個系統(tǒng)的程序算法。 畢業(yè)設計（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。 熱電阻的組成結構金屬熱電阻的感溫元件有石英套管十字骨架結構，麻花骨架結構得桿式結構等。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。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：BAR t圖 (a) 兩線制CBAR t圖 (b) 三線制DBAR tC圖 (c) 四線制 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 10 頁 共 40 頁 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 兩線制： 在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制，如圖 (a)所示。這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r 大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。 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)過程控制中的最常用的。三線制要求引出的三根導線截面積和長度均相同，測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橋臂電阻，將導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，當橋路平衡時，通過計算可知： (21)131t22Rr= +其中 r 為導線等效電阻，當 R1=R2 時，導線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除導線電阻的影響，但分析可見，采用三線制會大大減小導線電阻帶來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。四線制: 在熱電阻的根部兩端各連接兩根導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轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把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。四線制是當測量電阻數(shù)值很小時，測試線的電阻可能引入明顯誤差，四線測量用兩條附加測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，通過計算得出電阻值。 熱電阻 Pt1000 介紹 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 11 頁 共 40 頁