大氣溫度測(cè)量論文

1、工程測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文 大氣溫度測(cè)量論文 學(xué) 號(hào)： XXXXXXXXX 姓 名： X X 指導(dǎo)老師： X X 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 教4-118 XXXX學(xué)院2014年6月13日大氣溫度測(cè)量論文導(dǎo)論：大氣溫度是表示空氣冷熱程度的物理量,是大氣主要狀態(tài)、氣象要素中主要要素之一。例如大氣中發(fā)生的熱力過(guò)程和水汽凝結(jié)現(xiàn)象都與大氣溫度有密切關(guān)系。在日常生活實(shí)踐中,許多物理現(xiàn)象和化學(xué)過(guò)程無(wú)不與溫度有密切關(guān)系。因此,對(duì)溫度的測(cè)量,有十分重要的意義。一、氣溫測(cè)量方案評(píng)述測(cè)試系統(tǒng)組成如下：測(cè)量電路傳感器基本轉(zhuǎn)換電路顯示記錄被測(cè)對(duì)象A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)在氣溫測(cè)定中,測(cè)定要求的精確度,使用的儀器及測(cè)定方法都是按照各自要求和特點(diǎn)

2、進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇的。這就要求對(duì)各種類(lèi)型的測(cè)溫儀器的基本原理、性能、特點(diǎn)等有所了解,既可避免盲目要求儀器精度而造成浪費(fèi),又可獲得較高質(zhì)量、具有代表性的資料。方案一：根據(jù)線性尺寸變化為原理的測(cè)量溫度。雙金屬溫度測(cè)量利用雙金屬片隨空氣溫度變化而伸縮的原理,測(cè)定空氣溫度連續(xù)變化。主要由感應(yīng)部分、傳動(dòng)放大部分、自記部分與支承保護(hù)部分等組成。這類(lèi)儀器有日記、周記、自記雙金屬溫度計(jì)。其特點(diǎn)為:(1)可連續(xù)記錄溫度變化,能讀出溫度變化趨勢(shì)。(2)可保存記錄。(3)屬機(jī)械儀器,不宜做成遙測(cè);遙測(cè)時(shí)需間斷點(diǎn)轉(zhuǎn)換,不連續(xù)。(4)結(jié)構(gòu)也算簡(jiǎn)單,屬常規(guī)臺(tái)站儀器之一。方案二：利用電阻隨空氣溫度變化而變化測(cè)定空氣溫度的儀器1

3、.電阻溫度表，金屬導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的升高而增加,測(cè)定其電阻值,便可推知其溫度。通常由金屬電阻測(cè)溫元件、電阻溫度表的測(cè)量線路(電橋)、支承與保護(hù)殼體等組成。這類(lèi)溫度表有鐵、銅、鎳、鉑、銀、康銅、黃銅、錳鎳銅、鍛銅、鎳鉻鐵等金屬溫度表。特別是鉑電阻溫度表,可做得很準(zhǔn)確,用來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)儀器校準(zhǔn)其它測(cè)溫儀器。其特點(diǎn)為:(1)特性穩(wěn)定,熱慣性可做得很小和很大,測(cè)溫范圍寬。(2)具有良好的防輻射性能,金屬絲細(xì)散熱性好。(3)感應(yīng)元件可做得很小和任意幾何形狀,可測(cè)空氣、土壤、水體和植物群落間的溫度。(4)輸出電信號(hào),適于遙測(cè)。2.熱敏電阻溫度表，熱敏電阻(半導(dǎo)體)的電阻值隨著溫度的升高而減小(溫度系數(shù)為負(fù)值

4、),便可推知溫度。通常由熱敏電阻元件、測(cè)溫線路、支承與保護(hù)殼體等組成。這類(lèi)溫度表多由金屬錳、鎂、鉆、鎳、鐵等的氧化物混合體制成。例如二氧化欽一氧化錳、氧化鎳一氧化錳等混合物。改變這些成分含量比例,可改變其電導(dǎo)率、電阻溫度系數(shù)及其它特性。其特點(diǎn)為:(1)熱敏電阻的溫度系數(shù)約為金屬的10倍,所以有很高的靈敏度。(2)感應(yīng)元件的熱慣性可以很小,也可以很大,適用測(cè)溫范圍廣。(3)探頭也可做得很小和任意幾何形狀,適于不同環(huán)境條件下使用。(4)本身阻值高,靈敏度大,可相應(yīng)減小延引導(dǎo)線溫度變化及線路中接觸電阻等引起的誤差,適用于遠(yuǎn)距離遙測(cè)。(5)檢定曲線非線性,測(cè)溫特性的時(shí)間穩(wěn)定性差,可進(jìn)行線性補(bǔ)償后使用。

5、(6)每個(gè)熱敏電阻特性不同,一致性差,互換性不好,但有的單位已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。方案三：利用熱電偶溫差電效應(yīng)制成的溫度表 熱電偶溫度表兩種不同的金屬導(dǎo)體,其兩端焊接成一閉合回路,兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí),回路中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì),溫差越大,熱電動(dòng)勢(shì)也越大。若令一接點(diǎn)保持在已知溫度下,則另一接點(diǎn)的溫度可以根據(jù)回路中的熱電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系而測(cè)出。通常由熱電偶元件、測(cè)溫電路、支承及保護(hù)殼體等部分組成。這類(lèi)溫度表有銅一康銅、錳銅一康銅、鉑一康銅、鐵一康銅、康銅一鉻鎳合金、鐵一秘等溫度表。其特點(diǎn)為:(1)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作和使用也方便。(2)感應(yīng)元件的熱慣性可做得很小和很大,適用范圍寬。(3)根據(jù)需要,探頭也

6、可做成各種形狀,也可做成多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量的儀器,尤其是能夠很方便直接測(cè)量多點(diǎn)間的溫差。方案四：利用電動(dòng)勢(shì)變化而設(shè)計(jì)的晶體管溫度表1.硅二極管溫度表利用硅二級(jí)管的正向電壓隨溫度和電流會(huì)發(fā)生變化做成測(cè)溫傳感器。其靈敏度取決于電流的大小,但在很大范圍內(nèi)是近似常數(shù)。在保持電流恒定時(shí)(一般選擇I=0.5mA),硅二級(jí)管的正向電壓與溫度之間具有良好的線性,通常硅二極管在溫度為0一40范圍內(nèi),可以做到偏離線性約土0.1,但隨溫度的增大,其溫差也增大。2.鍺二級(jí)管溫度表利用鍺二級(jí)管測(cè)溫時(shí),其靈敏度可達(dá)一2.3mv/。應(yīng)選用熱傳導(dǎo)性高、滯后小的二級(jí)管,由于其靈敏度較熱敏電阻低,在測(cè)量時(shí),往往采用放大電路。為使通過(guò)測(cè)

7、溫用二極管上的功率達(dá)到毫瓦水平,要求輸入二極管的阻抗高,輸人放大器的阻抗更高。通常用場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)算放大器。方案五：利用物體表面的輻射原理測(cè)定表面溫度的紅外測(cè)溫儀由物體的溫度輻射而產(chǎn)生的電磁波能量與溫度間的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)測(cè)量輻射能量,可求得溫度的儀器為依溫度輻射電磁波的波長(zhǎng),在氣象上所用溫度范圍,在紅外部分有敏感波段。BAO一1型紅外測(cè)溫儀敏感元件采用ZM秘一銻熱電堆,澳化鉀濾光器透過(guò)6.0一16.0拌m的紅外輻射,整個(gè)探頭封裝在充有氫或氮?dú)獾慕饘俟軞ぶ?其視場(chǎng)達(dá)95。小球狀熱敏電阻封裝在管殼底部以測(cè)熱電堆的“冷”接點(diǎn)溫度。為增大熱慣性,將探頭裝在厚銅帽中,再接上手柄,探測(cè)器通過(guò)軟導(dǎo)線與微機(jī)相聯(lián),由

8、數(shù)字顯示溫度值。其特點(diǎn)為:(1)需注意各種物體輻射率的差異及長(zhǎng)波輻射被水汽、二氧化碳吸收等因素。(2)防止短波輻射進(jìn)人傳感器及消除環(huán)境輻射的影響。(3)還需對(duì)儀器本身的輻射進(jìn)行補(bǔ)償或控制。(4)系非接觸測(cè)量,其結(jié)果代表了儀器視場(chǎng)范圍內(nèi)的平均表面溫度,測(cè)量速度快,代表性好。 綜上所述：根據(jù)每個(gè)方案的特點(diǎn)及其適應(yīng)性，選擇方案二的第二種熱敏電阻溫度表來(lái)測(cè)量大氣溫度。二、方案總體設(shè)計(jì)1 、原理分析與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類(lèi)。金

9、屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即Rt=Rt01+（t-t0）式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為Rt=AeB/t式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有-50300左右，大量用于家電和汽車(chē)用溫度檢測(cè)和控制。金屬熱電阻一般適用于-200500范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。其測(cè)量原理結(jié)構(gòu)圖如下： 2、理論分

10、析 溫度測(cè)量模塊主要為溫度測(cè)量電橋，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，但該電壓很小。經(jīng)過(guò)集成放大器放大，將放大后的信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。3、系統(tǒng)硬件原理該溫度傳感器系統(tǒng)硬件原理圖如圖11所示，由熱電阻傳感器測(cè)的外界溫度，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，然后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換，將原有的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以貝單片機(jī)識(shí)別和運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)，然后在通過(guò)軟件編程通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)當(dāng)前所測(cè)得的溫度。 它的各部分電路說(shuō)明如下： （1）測(cè)溫模塊：該部分電路主要使用測(cè)溫電橋，當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋處于不平衡

11、狀態(tài)，從而輸出不平衡電壓，為測(cè)溫的基礎(chǔ)。 (2)信號(hào)處理部分：該部分電路包括電壓信號(hào)的放大和AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換，以及硬件濾波。(3)單片機(jī)部分：本實(shí)驗(yàn)采用8051單片機(jī)，其工作在最小模式下，主要任務(wù)有：控制AD0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、形成必要的時(shí)序、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以及控制數(shù)碼管顯示。(4)電源電路部分：該部分電路負(fù)責(zé)將輸入的9V12V直流電，分別轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的9V、5V、-9V直流電，給傳感器，放大電路，單片機(jī)，AD0809等供電。 (5) 顯示電路： 顯示電路的作用是將測(cè)量的溫度利用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來(lái)三 、硬件電路設(shè)計(jì)1、測(cè)溫電橋 測(cè)溫電橋如下圖所示

12、，熱敏電阻RT和RA1，RB1，RC1，以及可變電阻R2組成一個(gè)測(cè)溫電橋，在溫度為20度時(shí)，調(diào)節(jié)R2使電橋達(dá)到平衡。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出的不平衡電壓，經(jīng)過(guò)濾波后，輸入運(yùn)算放大器，進(jìn)行放大處理。圖3.1 電橋電路2、放大電路 最后經(jīng)過(guò)放大部分，如下圖，為壓力傳感器的微弱電壓輸出的放大電路。分析它是一個(gè)差分放大電路,DR/R因?yàn)楹蜏囟萒有一定的線性關(guān)系，A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓為5v,因此對(duì)應(yīng)A/D輸出的電壓，與熱敏電阻感知的外界溫度具有一定的線性關(guān)系。圖3.2 放大電路3、傳感器電路模塊測(cè)溫電橋及信號(hào)放大電路圖3.3 測(cè)溫電橋和放大電路上圖是一個(gè)比

13、較常用的溫度測(cè)量電路，大致分為電源，電阻電橋，運(yùn)放，輸出部分。電源由R4，R6，C1，U1B組成，R4，R6為分壓電路，C1主要濾除VCC中紋波，U1B為L(zhǎng)M324運(yùn)算放大器，工作于電壓跟隨器方式，其特點(diǎn)是具有高輸入阻抗低輸出阻抗，為后級(jí)電橋提供較穩(wěn)定的電流。電橋由R1，R2，R3，R13及熱敏電阻組成，通過(guò)調(diào)節(jié)R13使電橋平衡，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻變化，電橋產(chǎn)生電壓差。運(yùn)放電路由R7，R8，R9，R10及U1A組成，調(diào)節(jié)R14可以調(diào)節(jié)輸出電壓幅值。D1主要用于防止輸出負(fù)電壓，保護(hù)后級(jí)A/D電路。4、A/D變換電路模塊ADC0809,是M美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐

14、次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。1主要特性：（1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位（2）具有轉(zhuǎn)換啟?？刂贫耍?）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us(時(shí)鐘為640kHZ時(shí)），130us(時(shí)鐘為500KHZ時(shí)）（4）它由單一+5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開(kāi)關(guān)，ADC0809可對(duì)0V5V的雙極性模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（5）引腳圖如圖4.2.1 所示。各引腳功能說(shuō)明如下：IN0IN7:8路模擬量輸入引腳。 CCV：+5V工作電壓。&

15、#160;GND：地。 REF（+）：參考電壓正端。 REF（）：參考電壓負(fù)端。 START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。 ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。以上兩個(gè)信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳。開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。 OE：輸出允許控制端。用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。 ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通IN0IN7 8個(gè)通道的一個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3.4 ADC0809各引腳圖四、 小結(jié)數(shù)據(jù)采集及顯示數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)的核心。主要用來(lái)調(diào)

16、整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進(jìn)制數(shù)向十進(jìn)制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。系數(shù)轉(zhuǎn)換在IN0輸入的數(shù)最大為5V，要求壓力80N對(duì)應(yīng)的是5V，為十六進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)進(jìn)行一定倍數(shù)的變換，并用小數(shù)點(diǎn)位置的變化體現(xiàn)這一過(guò)程。數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進(jìn)制數(shù)制中，每向左移一位表示數(shù)增加兩倍。要求壓力80N對(duì)應(yīng)的是5V，而溫度與電壓的變換是線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的輸出為八個(gè)1，當(dāng)有一定的壓力值輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)這個(gè)關(guān)系轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼送入P0口。然后再反過(guò)來(lái)應(yīng)用這個(gè)變化關(guān)系，經(jīng)最終得到的數(shù)值進(jìn)行二進(jìn)制到BCD碼轉(zhuǎn)化，然后逐位在LED數(shù)碼管上顯示。六、參考文獻(xiàn)1 李亞伯等編著，數(shù)字電路與系統(tǒng)，北京：電子工業(yè)出版社，2001年6月出版130-150 2 李雙慶等編著，常用半導(dǎo)體器件簡(jiǎn)明手冊(cè)，北