高精度测温系统的研制_毕业设计(编辑修改稿)

高精度测温系统的研制_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

第 5 页 共 40 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 绪论 温度传感器的 概念 温度传感器 是指 能感受温度并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由 敏感元件 和转换元件组成。 温度传感器将检测 到 的 温度 信息按一定形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要 前提。 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。 温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。 从 17 世纪初人们开始利用温度进行测量。 在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。 与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 温度 测量的意义 温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此温度是一个十分重要的物理量 ,研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高 ,人们也迫切需要检测与控 制温度 :如大气及空调房中温度的高低 ,直接影响着人们的身体健康；在大规模集成电路生产线上 ,环 境温度不适当 ,会严重影响产品的质量；恒温育苗室内温度的控制对育苗的质量影响也很大。 温度传感器 作为在各种控制场合经常使用的传感器，它的性能好坏会直接影响到系统性能。 因此，要选择适当的传感器，不仅要掌握各种类型传感器的结构、原理及性能指标，还必须懂得传感器的信号应该如何 获取 、处理。 现在越来越多的传感器被用于各个领域，且为了提高自身的功效、时效及生产力，各领域的专家们也在自主研发适用于该领域的传感器， 于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。 常用温度传感器的分类 温度传感器是温度测量仪表的核心 部分，品种繁多。 按测量方式可分为接触式和非接触式两大类 : 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。 温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。 一般测量精度较高。 在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。 但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常 毕业设计（论文）说明书 第 6 页 共 40 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。 它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。 非接触式温度传感器，它的敏感元件与被测对象互不接触 ，又称非接触式测温仪表。 这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。 最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。 辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。 各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。 只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。 如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。 温度测量控制技术的国内外研究现 状 温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。 它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。 在温度测量方面各国均取得了很多成果 ,其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达 ℃ ,理论上可达 ℃ ,而且在 40℃ ~230℃范围内具有温度与频率的线性特性。 日本利用所谓石英温度频率转换器 80℃ ~200℃的温度范围 ,最大分辨率达 ℃。 美国标准局研制的电阻温度计 25欧标准铂电阻温度计 ,电桥分辨 ℃。 我国生产的石英温度传感器分辨 率达到 ℃ ,误差在 ℃以内 ,中国航天工业总公司 702所研制的 5901(STP1000)型粘贴式测温片 ,其静态测温精度为 %,快速响应时间小于。 传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点 ,在未来温度测量领域中 ,依然能够广泛使用。 随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展 ,其应用范围更加拓展。 1)薄膜温度传感器 在传感器结构改进方面 ,出现了薄膜温度传感器 ,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器 ,其敏感元件为微米级的薄膜 ,具有体积小、热扰动小、热动 态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点 ,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能 ,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。 近年来发展的陶瓷薄膜热电偶 ,可以测量更高的温度 ,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点 ,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。 2)辐射测温技术 随着光电和红外探测器的发展 ,出现了多种多样的红外测温仪 ,红外测温技术得到了更多的应用。 具体表现在 :(1)测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展。 (2)准确度和稳定性更高。 (3)工作波段多样化 , 可根据被测对 象的特性选 毕业设计（论文）说明书 第 7 页 共 40 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 择。 (4)从点测量发展到二维面测量。 (5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点。 3)光纤测温技术 黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡 ,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件 ,从而实现温度测量。 如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计 ,具有测温高、响应快、寿命长的特点 ,可以部分取代贵金属热电偶。 还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器 ,也是基于以上原理 ,由普通石英光纤实现测温 ,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。 基于 Pt1000 的高精度温度采集系统 研究意义 在工业和医学等诸多领域，高精度的温度测量都有着很广泛的应用。 例如在炼铁生产中 , 操作人员经常要检测和观察高炉冷却水包的进、出水温差。 该温差可反映高炉的完好和运行情况以首钢集团迁安钢铁厂高炉为例 , 炉喉冷却水的进、出水温差应该在 0. 3~ ℃ , 如果进、出水温差超出这个范围 , 工作人员就要采取相应措施。 如超过 ℃ 就意味着出现事故 , 人员可能就要撤离。 因此水温差测量是炼铁过程中的一项重要工作 , 水温差测量的精度 要求也很高 [6]。 在煤矿和火电厂广泛应用的煤质分析仪中，需要对一定质量的 煤燃烧后所导致的一定质量的水的温度变化进行精确测量，并根据水温变化幅度对煤的质量进行评估。 在医学上用于生命科学研究和基因诊断 的 PCR(聚合酶链式反应 )热循环仪中，也同样需要对水或油的温度变化进行精确的测量。 高精度的温度测量能够提高生产的安全性和产品质量。 待解决的问题 精密化学、生物医药、精细化工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，而温度控制的核心正是温度测量。 采用铂电阻测量温度是一种有效的高精度温度测量方法，但具有以下难点：引线电阻、自热效应、外部噪声的干扰、元器件漂移和铂电阻传感器精度。 其中，减小引线电阻的影响是高精度测量的关键点。 对于自热效应，根据元件发热公式 P=I2R，必须使流过元件的电流足够小才能使其发热量小，传感器才能检测出正确的温度。 但是过小的电流又会使信噪比下降，精度更是难以保证。 此外，一些元器件和仪器很难满足元器件漂移和铂电阻传感器精度的要求。 研究内容 本设计以飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机 为温度采集系统的控制器，首先介绍了 热电阻 的基本原理 ，然后依次介绍单片机各个 模块 的功能，之后又分别简单 毕业设计（论文）说明书 第 8 页 共 40 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 介绍了 CodeWarrior 、 Protel DXP 及 Visual Basic 等软件，最后介绍了 温度测量系统的总体设计及其相关模块 ，另外 还 设计了 整个系统的 程序算法。 毕业设计（论文）说明书 第 9 页 共 40 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 传感器、单片机及开发工具 热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温 度检测器。 它的主要特点是测量精度高，性能稳定。 其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 热电阻的组成结构 金属热电阻的感温 元件 有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结构等。 金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。 工业测量 用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁 —镍 、 钨 、 银 等。 薄膜热电阻是利用电子阴极溅射的方法制造，可实现工业化大批量生产。 其中骨架用陶瓷，引线采用铂钯合金。 工作原理 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。 热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 热电阻通常需要把电阻 信号 通过引线传递到 计算机 控制装置或者其它 一 次仪表 上。 热电阻 接线 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要 把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。 工业用热电阻 安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对 测量结果 会有较大的影响。 目前热电阻的引线主要有三种方式： 二线制 、 三线制 、 四线制 ，如下图所示： BARt 图 (a) 两线制 CBARt 图 (b) 三线制。