紅外線溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、紅外線溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要：本文介紹一種新型的紅外線溫度傳感器其基本工作機理是利用高精度紅外位移傳感器測量熱膨脹系數(shù)較大的有機玻璃長度。用靈敏度為0.001 C的高精度石英溫度計對其校準，證實這種儀器的溫度測量精度可達 10-5 C數(shù)量級，比較市場上現(xiàn)有的溫度傳感器， 其靈敏度和線性度都有較大優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：紅外線；溫度；傳感器；分辨率在物理實驗和生產(chǎn)中，往往需要高精度的測量，環(huán)境溫度對測量的影響是一個重要 因素，因此，必須對環(huán)境溫度進行精密測量。對測量儀器則要求制造成本低、測量精度高、 線性度好、應(yīng)用范圍廣、便于安裝和調(diào)試。目前市場上可以用于測量溫度的傳感器有石英溫

2、 度計、光纖傳感溫度計、熱敏電阻溫度計等。 其中石英溫度計靈敏度最高，可達到1X 10-4 C數(shù)量級。然而這些傳感器的價格一般都比較貴，線性度難以達到精密測量的要求。本文介紹一種紅外線式高精度溫度測量儀器。其具有單色性好、抗干擾性能強等特點，比較適合高精度測量。此種儀器結(jié)構(gòu)簡單、容易制作、便于安裝，所測溫度可直接輸出 到微機進行后期數(shù)據(jù)處理，十分方便易行。一、儀器原理和用途本儀器采用北京東林松工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的微晶玻璃陶瓷材料，其具有真空性好、耐高低溫、絕緣和耐酸堿腐蝕等性能?；拘阅苤笜巳缦拢菏褂脺囟?2731 000C ;體積電阻率1.08 X 1 014 Q ?cm熱膨脹系數(shù)為 a 1=

3、8.6 X 10-6/C。該材料抗熱沖擊性能非常好，從 800C急冷至0C不破碎，200C急冷到 0C強度無變化。用該陶瓷材料制成一個圓筒，筒內(nèi)的一端固定一根長L=10cm的薄有機玻璃圓筒，另一端固定一個紅外位移傳感器，讓有機玻璃棒的自由端將紅外接收管的接收面遮住一半， 使其工作在線性度最好的區(qū)域。由于有機玻璃的熱膨脹系數(shù)為。a 2=1.7 X 10-4 C,兩者相差達兩個數(shù)量級，所以當溫度變化時，可以認為有機玻璃在陶瓷材料上的相對位移可以忽略， 故其自由端同紅外位移傳感器之間的相對位置變化將改變紅外接收管的有效接收面積，從而使位移傳感器輸出電壓隨之改變。這種新型溫度傳感器的測量靈敏度為Lal

4、-a )其中AL為紅外位移傳感器對有機玻璃長度測量的靈敏度。紅外位移傳感器主要由紅外發(fā)光二極管發(fā)射和接受裝置、數(shù)據(jù)放大去噪部分以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。它是利用紅外光電二極管的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律，通過其遮擋的光通量與輸出電流的關(guān)系確定遮擋體，將微小的溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，通過放大電路進行放大處理， 結(jié)合數(shù)據(jù)采計算機處理集卡建立電壓信號與溫度的函數(shù)關(guān)系，然后利用高精度螺旋測微器定標，最終形成可以得到一個較高測量精度(3 x 10 -7m)的位移測量儀。由于光電轉(zhuǎn)換的電流較小，而且紅外發(fā)光二極 管的功率也較低，因此可以認為紅外位移傳感器不會對測量的溫度環(huán)境有影響。整個實驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1。微晶陶瓷筒二

5、、儀器的制作與實驗結(jié)果將設(shè)計好的溫度傳感器與靈敏度為0.001 C的石英溫度計放入一個銅制的匣子里，并且盡可能使兩者接近，以減少環(huán)境溫度差別。同時放置一個用黑盒子包裹的功率為1W的燈泡給匣子加熱，采用黑盒子是為了減少匣子內(nèi)背景光對紅外位移傳感器的影響。實驗中利用PCL-711B數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，該采集卡具有高性能、高速度、多功能等特點，適用于 現(xiàn)行的IBM PC或其它兼容計算機。高性能、豐富的軟件支持以及多種功用，使得PCL-711B成為工業(yè)應(yīng)用和實驗設(shè)備的理想選擇。利用其A/D轉(zhuǎn)換功能并結(jié)合串口通信將數(shù)據(jù)輸入到PC機進行后期處理。實驗時，將燈泡打開約25min后，可達到60C。由于升溫過程

6、較快，所以選用降溫過程測量。約 30min后溫度達到50C, 2h后達到室溫(28 C)，由于溫度變化所對應(yīng)的電 壓變化比較劇烈，測量選用的溫度變化控制在4039.905 C。每當石英溫度計的讀數(shù)改變0.005 C時，便讀取相應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)。最終得到的電壓數(shù)據(jù)以及石英溫度計的測量溫度見表1。微小電流和其它溫度傳從結(jié)構(gòu)來看,溫審C電壓V電EV磁4EV40D005.71339.9654.75939.930221339935-亦g39.960-1.11839.925275S39990-438739.955-0.62339.920311939935-3.80139.950041539.9153.6373

7、9980-3.10339.9450.68439.9104.23039975-2.B439.9401.31439.905456439970*2.302399351M9對表1中數(shù)據(jù)進行線性擬合，其曲線和擬合議程結(jié)果見圖2。40.0140.00：39.99 p 39.98W 39.97-339.96：相 39.95 -39.94：39.93 J39,92 J39.9139.90.3&*9二電壓V線性擬合方程式為 T=39.949+(-0.00926)VR=-0.99863從圖中可以看到盡管在有些地方出現(xiàn)了小的波動，其線性度還是比較好的。A 71-5其中傳感器的靈敏度為感器比較可以看到，其靈敏度較石英

8、溫度計下降一個數(shù)量級，且線性度比較好。設(shè)備相對簡單、成本低、適用范圍廣泛，而且特別適用于需要精密測量溫度的環(huán)境。三、總結(jié)T 1.;| I從整個傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)過程中， 發(fā)現(xiàn)由于選用材料的復(fù)雜性和性能指數(shù)的穩(wěn)定 性，對實驗的結(jié)果有一定影響。 今后將考慮選用線性度好和膨脹系數(shù)高的新型材料， 有理由 相信這種新型的紅外溫度傳感器的精度將會有進一步提高。當然，由于位移傳感器分辨率的限制， 這種新型的溫度傳感器在溫度變化較大的環(huán) 境中使用尚有不足， 但就常用工作和實驗環(huán)境而言， 它完全可以取代傳統(tǒng)的溫度計， 具有較 好的應(yīng)用前景。參考文獻 ：1程永進，陳遠金，吳雄偉數(shù)字式紅外線高精度位移測量儀 J 物

9、理實驗（ 24 卷）， 2004.2常健生檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù) M 吉林工業(yè)大學(xué)出版社， 1987.3蔡維錚常用電子元器件手冊 M 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1998.4趙丁選光機電一體化設(shè)計使用手冊（上） M 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2003.5劉迎春傳感器原理，設(shè)計與應(yīng)用 M 長沙：國防科技大學(xué)出版社， 1989.ue 貝 EX.僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquementa des