哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文溫度測量自學(xué)報告-PAGEII--PAGEI-溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院：測通學(xué)院專業(yè)班級：測控12-5班學(xué)生姓名:學(xué)號:12050102014年11月30日PAGEII---PAGEI-目錄第1章溫度測量系統(tǒng)文獻綜述 11.1溫度測量的意義 11.2溫度測量現(xiàn)狀 21.2.1壓力式測溫系統(tǒng) 21.2.2熱電阻測溫系統(tǒng) 21.2.3雙金屬溫度計 31.2.4熱電偶測溫系統(tǒng) 31.2.5PN結(jié)型及集成電路式溫度傳感器 31.2.6光學(xué)高溫計測溫系統(tǒng) 41.2.7紅外測溫儀（便攜式） 4第2章總體方案設(shè)計 52.1方案一 52.2方案二 62.3方案三 62.4方案分析對比 72.5小結(jié) 8第3章具體設(shè)計與特性分析 93.1傳感器設(shè)計 93.2轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 103.3傳感器總體分析 113.4使用條件和誤差補償 113.5仿真實驗 113.6小結(jié) 12結(jié)論 13參考文獻 14心得體會 15-PAGE10--PAGE14-溫度測量系統(tǒng)文獻綜述溫度測量的意義（1）隨著科技的迅速發(fā)展,高溫、超高溫、低溫、超低溫等非常態(tài)實驗及工程應(yīng)用越來越多,越來越復(fù)雜;另一方面,武器型號、重大裝備及精密制造技術(shù)的發(fā)展也對溫度測量的要求越來越高。在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進行控制，自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。（2）溫度是表征物體冷熱程度的物理量,是國際單位制中七個基本物理量之一,它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著密切關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,溫度測量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。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。但是傳統(tǒng)溫度測量方法也有缺點，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。（3）測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。

溫度測量現(xiàn)狀目前，溫度測量的方法已達數(shù)十種之多。根據(jù)溫度測量所依據(jù)的物理定律和所選擇作為溫度標志的物理量，隨著科技的迅速發(fā)展,高溫、超高溫、低溫、超低溫等非常態(tài)實驗及工程應(yīng)用越來越多,越來越復(fù)雜;另一方面,武器型號、重大裝備及精密制造技術(shù)的發(fā)展也對溫度測量的要求越來越高。技術(shù)發(fā)展日新月異,行業(yè)需求不斷提高,對從事溫度測量操作和溫度測量研究的人員素質(zhì)要求也越來越高。目前，溫度測量的方法已達數(shù)十種之多。根據(jù)溫度測量所依據(jù)的物理定律和所選擇作為溫度標志的物理量，測量方法可以歸納成下列幾類:壓力式測溫系統(tǒng)是最早應(yīng)用于生產(chǎn)過程溫度測量方法之一，是就地顯示、控制溫度應(yīng)用十分廣泛的測量方法。帶電接點的壓力式測溫系統(tǒng)常作為電路接點開關(guān)用于溫度就地位式控制。壓力式測溫系統(tǒng)適用于對銅或銅合金不起腐蝕作用場合，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，不怕振動；不需外部電源；價格低。缺點是測溫范圍有限制（-80~400℃）；熱損失大，響應(yīng)時間較慢；儀表密封系統(tǒng)（溫包，毛細管，彈簧管）損壞難以修理，必須更換；測量精度受環(huán)境溫度及溫包安置位置影響較大；毛細管傳送距離有限制。熱電阻測溫系統(tǒng)熱電阻測量精度高,可用作標準儀器，廣泛用于生產(chǎn)過程各種介質(zhì)的溫度測量。優(yōu)點是測量精度高；再現(xiàn)性好；與熱電偶測量相比它不需要冷點溫度補償及補償導(dǎo)線。缺點是需外接電源；熱慣性大；不能使用在有機械震動場合。鎧裝熱電阻將溫度檢測元件、絕緣材料、導(dǎo)線三者封焊在一根金屬管內(nèi)，它的外徑可以做得很小，具有良好的力學(xué)性能，不怕振動。同時，它具有響應(yīng)快，時間常數(shù)小的優(yōu)點。鎧裝熱電阻可制成纜狀形式，具有可撓性，任意彎曲，適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)場合中的溫度測量。目前國外N型熱電偶得到了廣泛的應(yīng)用,而國內(nèi)應(yīng)用仍舊不是很普遍,但隨著對加工產(chǎn)品質(zhì)量控制要求的提高,N型熱電偶使用將會越來越多。（參考溫度測量技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述楊永軍(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京100095)）雙金屬溫度計雙金屬溫度計也是用途十分廣泛的就地溫度計。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低；維護方便；比玻璃溫度計堅固、耐振、耐沖擊；示值連續(xù)。缺點是測量精度較低。熱電偶測溫系統(tǒng)熱電偶在工業(yè)測溫中占了很大比重。生產(chǎn)過程遠距離測溫大多使用熱電偶。優(yōu)點是體積小，安裝方便；信號遠傳可作顯示、控制用；與壓力式溫度計相比，響應(yīng)速度快；測溫范圍寬；測量精度較高；再現(xiàn)性好；校驗容易；價低。缺點是熱電勢與溫度之間是非線性關(guān)系；精度比電阻低；在同樣條件下，熱電偶接點易老化。PN結(jié)型及集成電路式溫度傳感器半導(dǎo)體PN結(jié)測溫是近幾年來發(fā)展起來的一種新型測溫手段.眾所周知，PN結(jié)的反向電流隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化，而當正向電流不變時，其正向壓降隨溫度近似線性變化.現(xiàn)代的PN結(jié)溫度傳感器都是利用正向壓降進行測溫.PN結(jié)正向壓降Vbe與絕對溫度T間的關(guān)系為:Vbe=kT[ln(I/I0)+1]/q,其中I和I0。分別為PN結(jié)的正向電流和反向飽和電流，h和q分別為波爾茲曼常數(shù)和電子電荷.由此可見，只有I與I0的比值穩(wěn)定，Vbe與T間的關(guān)系才能確定.現(xiàn)代的溫度傳感器都將恒流源、放大電路、補償電路集成在一起做成集成溫度傳感器，其感溫部分線路如圖2所示.由圖可知，輸出電壓ΔVbe與溫度的關(guān)系為:ΔVbe=kTln(Ic1/Ic2)/q.只要保持Ic1/Ic2為定值，測量已知電阻R上的電壓ΔVbe便可得到溫度值.集成電路溫度傳感器具有體積小、重量輕、精度高等特點，測溫范圍在-50~150℃.也正好是最常見的溫度范圍.文獻報導(dǎo)的一種電流輸出型溫度傳感器在020℃內(nèi)靈敏度可達1.06μA/℃.線性誤差不超過±0.2℃.穩(wěn)定性為0.02℃/4h光學(xué)高溫計測溫系統(tǒng)光學(xué)高溫計結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、使用方便，常用于金屬冶煉、玻璃熔融、熱處理等工藝過程中，實施非接觸式溫度測量。缺點是測量靠人眼比較，容易引入主觀誤差；價格較高。紅外測溫儀（便攜式）特點是非接觸測溫；測溫范圍寬（600~1800℃/900~2500℃）；精度高示值的1%+1℃；性能穩(wěn)定；響應(yīng)時間快（0.7s）；工作距離大于0.5m。（參考互聯(lián)網(wǎng)會議PPT資料大全技術(shù)大會）總體方案設(shè)計方案一基于PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)本溫度測量系統(tǒng)采用三線制恒流源驅(qū)動法驅(qū)動鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅(qū)動法是指用硬件電路消除鉑電感器的固定電阻（零度電阻），直接測量傳感器的電阻變化量。圖1為三線制恒流源驅(qū)動法高精度測量方案，參考電阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅(qū)動，電路各元件將產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，傳感器因溫度變化部分電阻的電壓可以由后面的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器直接測量，并采用2次電壓測量--交換驅(qū)動電流方向，在每個電流方向上各測量一次。其特點是直接測量傳感器的電阻變化量，A/D轉(zhuǎn)換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線性關(guān)系。傳感器采用三線制接法能有效地消除導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)的影響。利用單片機系統(tǒng)控制兩次測量電壓可以避免接線勢壘電壓及放大器、A/D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，還可以校準鉑電阻傳感器精度。恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器共用參考基準，這樣根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的計量比率變換原理，可以消除參考基準不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差，不過對恒流源要求較高，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了進一步克服噪聲和隨機誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機中采用MLS數(shù)值算法實現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。方案二熱電偶傳感器設(shè)計本方案提出了一種可以應(yīng)用于管道內(nèi)流體測量的熱電偶測溫系統(tǒng)的設(shè)計方法，給出了熱電偶傳感器和熱電偶變換器的詳細設(shè)計方案，并通過實驗，得出了精度指標驗證了系統(tǒng)性能。熱電偶的測溫原理是利用導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，即將兩種導(dǎo)體串聯(lián)成閉合回路時，若結(jié)點處于不同的溫度，回路中會存在熱電勢。測溫時一個結(jié)點置于被測溫度場，另一個結(jié)點處于恒定溫度，稱為冷端熱電偶傳感器采用標準化熱電偶之一的K型熱電偶即鎳鉻一鎳硅熱電偶，測溫范圍0~1300℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大(1300℃時熱電勢為52.398mV)，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強等優(yōu)點。熱電偶變換器的輸入信號為K型熱電偶在0~1000℃的電壓信號即0~41.269mV，輸出信號為0.1V~4.9VDC。通過專用調(diào)理芯片AD595，對熱電偶信號進行放大處理及冷端補償，再由運算放大器進行比例縮放及偏置處理，調(diào)整為與實測溫度成線性關(guān)系的電壓信號。AD595是一個完整的儀用放大器，在與熱電偶連接時可產(chǎn)生10mV/℃的輸出信號；并具有熱電偶開路故障報警功能。其典型工作電流僅為160μA，可以最大程度地減小自熱誤差。AD595經(jīng)過激光微調(diào)預(yù)校準，與K型熱電偶的特性相匹配。方案三雙電橋電路溫度測量單電橋雖然靈敏度較高，但當被測電阻以低阻值變化時，橋臂中的接線、接觸電阻和△Rx一起參與電橋電壓平衡，測量結(jié)果是△Rx與該橋臂的接線和接觸電阻的總阻值，因此，測量結(jié)果誤差較大，且存在較大的非線性。采用雙電橋測溫回路，通過研究改進，完成基于四線制的雙電橋精密溫度測量電橋的設(shè)計，配合鉑電阻Pt100實現(xiàn)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)溫控系統(tǒng)的精密溫度測量；使得溫度測量電路的線性度、準確度保持較高的水平．雙電橋電路可以極大改善測溫電路的非線性，提高測量精度，基本消除非線性因素對測溫準確度的影響．在保證電路測溫準確的基礎(chǔ)上，雙電橋電路使得光纖陀螺控溫系統(tǒng)精度得到很大提升．方案分析對比熱電偶的主要優(yōu)點：測溫范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。標準化熱電偶的熱電動勢特性由國際電工委員會統(tǒng)一制定了標準分度表和允許偏差，使用時具有性能穩(wěn)定，互換性好的優(yōu)點。熱電偶傳感器的材料一般都比較重，變化率小，在通常的測量中嚴格要求冷端的溫度恒定，因此需修正冷接點的溫度，并且熱電偶傳感器只可測得局部的溫度，體積大。所以不符合我們所要求的技術(shù)指標。PT100的主要優(yōu)點：能直接測量傳感器的電阻變化量，A/D轉(zhuǎn)換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線性關(guān)系。鉑電阻Pt100的測溫方案，可以完全去除引線電阻引起的誤差，有效減少自熱效應(yīng)，通過使用軟、硬件抗干擾濾波技術(shù)降低噪聲、抑制干擾、減少系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。雙電橋測溫回路的優(yōu)點：通過研究改進，完成基于四線制的雙電橋精密溫度測量電橋的設(shè)計，配合鉑電阻Pt100實現(xiàn)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)溫控系統(tǒng)的精密溫度測量；使得溫度測量電路的線性度、準確度保持較高的水平．雙電橋電路可以極大改善測溫電路的非線性，提高測量精度，基本消除非線性因素對測溫準確度的影響．在保證電路測溫準確的基礎(chǔ)上，雙電橋電路使得光纖陀螺控溫系統(tǒng)精度得到很大提升。雙電橋測溫回路電路匹配很難做的好，以至于精度不高。小結(jié)通過方案對比和學(xué)習(xí)總結(jié)，我們小組最終選擇Pt100溫度測量電路，Pt100是一種廣泛應(yīng)用的測溫元件，測量準確度高，測量范圍大，線性度和穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。鉑電阻的阻值與溫度成非線性關(guān)系，需要進行非線性校正。具體設(shè)計與特性分析傳感器設(shè)計三線制恒流源驅(qū)動電路（敏感元件）恒流源驅(qū)動電路負責(zé)驅(qū)動溫度傳感器Pt1000，將其感知的隨溫度變化的阻信號轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號。本系統(tǒng)中，所需恒流源要具有輸出電流恒定，溫度穩(wěn)定性好，輸出電阻很大，輸出電流小于0.5mA（Pt1000無自熱效應(yīng)的上限），負載一端接地，輸出電流極性可改變等特點。由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應(yīng)管參數(shù)影響顯著，由集成放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點。尤其在負載要接地的場合，獲得了廣泛應(yīng)用。所以采用圖2所示的雙運放恒流源。其中放大器UA1構(gòu)成加法器，UA2構(gòu)成跟隨器，UA1、UA2均低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。設(shè)圖2中參考電阻Rref上下兩端的電位分別Va和Vb，Va即為同相加法器UA1的輸出，當取電阻R1=R2，R3=R4時，則Va=VREFx+Vb，故恒流源的輸出電流就為：I=（Va-Vb）/Rref0=VREFx/Rref0（3）由此可見該雙運放恒流源具有以下顯著特點：1）負載可接地；2）當運放為雙電源供電時，輸出電流為雙極性；3）恒定電流大小通過改變輸入?yún)⒖蓟鶞蔞REF或調(diào)整參考電阻Rref0的大小來實現(xiàn)，很容易得到穩(wěn)定的小電流和補償校準。由于電阻的失配，參考電阻Rref0的兩端電壓將會受到其驅(qū)動負載的端電壓Vb的影響。同時由于流源，Vb肯定會隨負載的變化而變化，從而就會影響恒流源的穩(wěn)定性。顯這對高精度的恒流源是不能接受的。所以R1，R2，R3，R4這4個電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對電阻的失配大小方向要一致。實際中，可以對大量同一批次的精密電阻進行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。1.2信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路如圖3所示，放大器UA3對參考電阻Rref的端電壓進行單位放大后得到差分放大器反向輸入端信號，其值為：VINN=I（Rref+Rt）（4）放大器UA4對溫度傳感器Rt（Pt1000）的端電壓放大2倍后得到差分放大器的正向輸入端信號，其值為：VINP=2IRt（5）其中，電阻R5和R6的選擇原則與之前恒流源分析中的比例電阻選擇原則相同，即通過對大量普通標稱電阻進行篩選，從中選取阻值最接近的。轉(zhuǎn)換電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路（轉(zhuǎn)換電路）A/D轉(zhuǎn)換電路由一個集成A/D轉(zhuǎn)換器AD7712完成，同時將利用其內(nèi)部的PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7712是適合低頻測量的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有2個輸入通道AIN1和AIN2，能將模擬信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7712實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集的原理電路如圖4所示，實際工作時需要對其進行配置。選用差分輸入通道AIN1，輸入信號極性為雙極性。傳感器總體分析傳感器分析可以分成結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)分析，這些分析都需要試驗的進一步實踐來具體分析，上面3.2已經(jīng)具體介紹了這里不再贅述。使用條件和誤差補償測量結(jié)果的誤差主要來源于參考電阻Rref、Rref0的誤差，以及差分放大倍數(shù)k和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差。為了達到要求的測量精度，參考電阻Rref、Rref0將采用定制的UPR塑封金屬箔電阻，這種電阻具有0.05%的初始精度，小于5ppm的溫度穩(wěn)定性。AD7712的非線性誤差小于0.0015%，增益溫度穩(wěn)定性小于2ppm，并且還可以通過單片機對AD7712進行校準來減小其非線性誤差以及增益誤差仿真實驗仿真試驗可以通過Multisim10軟件來實現(xiàn)，建立新窗口繪制電路圖按照上面的電路圖進行繪制。這里需要注意的是電路圖的設(shè)計需要兩種設(shè)計：第一種就是原電路圖，另一種為對照試驗，需要一個恒溫箱來進行對比試驗，這樣才可以對結(jié)果進行充分且詳細的說明，進而求得設(shè)計的最佳方案。小結(jié)利用三線制恒流源