紅外線溫度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

紅外線溫度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者：陳遠(yuǎn)金，程永進(jìn)，吳雄偉

　　本文介紹了一種新型的紅外線溫度傳感器的測(cè)量原理、設(shè)計(jì)制作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其基本機(jī)構(gòu)是利用高糈度紅外位移傳感器測(cè)量隨溫度的變化熱膨脹系數(shù)較大的有機(jī)玻璃長(zhǎng)度．我們通過(guò)運(yùn)用靈敏度為0．001℃的高精度石英溫度計(jì)對(duì)其校準(zhǔn)．這種儀器的溫度測(cè)量精度可以達(dá)到℃數(shù)量級(jí)，比較市場(chǎng)上現(xiàn)有的溫度傳感器，其靈敏度和線性度都有較大的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
    1、引言
       在物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際中。往往需要高精度的測(cè)量。環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響是一個(gè)重要的因素。因此要求我們必須對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行精密的測(cè)量。對(duì)測(cè)量?jī)x器也應(yīng)有如下的要求，即制造成本低。測(cè)量精度高。線形度好，應(yīng)用范圍廣。便于安裝和調(diào)試。目前市場(chǎng)上有多種傳感器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。常用的有石英溫度計(jì)、光纖傳感溫度計(jì)、熱敏電阻溫度計(jì)等在上述幾種器件中，石英溫度計(jì)靈敏度最高，目前可達(dá)到℃數(shù)量級(jí) 然而，這些傳感器的價(jià)格一般都比較貴。線性度難以達(dá)到精密測(cè)量的要求。
   
        本文即是要開(kāi)發(fā)一種紅外線式高精度的溫度測(cè)量?jī)x器。我們所知道紅外光的特性：?jiǎn)紊院茫垢蓴_，比較適合高精度的測(cè)量。我們所要設(shè)計(jì)的儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單．容易制作，便于安裝，可進(jìn)行高精度的溫度測(cè)量，該溫度測(cè)量可直接輸出到微機(jī)或pc機(jī)進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，十分方便易行。
   
    2、儀器的原理和用途
   
        我們采用北京東林松工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的微品玻璃陶瓷材料制成一個(gè)圓筒，這種微晶玻璃陶瓷材料具有真空性好、耐高低溫、絕緣和耐酸堿腐蝕等性能，其基本性能指標(biāo)如下：使用溫度-273℃～1000℃體積電阻率1.08 x 1014Ω·cm，熱膨脹系數(shù)為 αl = 8.6 x 10-6/℃，微品玻璃陶瓷抗熱沖擊性能非常好，從800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃強(qiáng)度不變化。在筒內(nèi)的一端固定一根長(zhǎng)L=10cm的薄有機(jī)玻璃圓筒，在筒內(nèi)另一端固定一個(gè)紅外位移傳感器，并且讓有機(jī)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(jī)玻璃的熱膨脹系數(shù)為α2＝1.7 x 10-4/℃，兩者相差達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以當(dāng)溫度變化時(shí)，我們可以認(rèn)為有機(jī)玻璃在陶瓷卡材料上的相對(duì)位移可以忽略，故有機(jī)玻璃的自由端同紅外位移傳感器之間的相對(duì)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也隨之改變。這種新型溫度傳感器的測(cè)量靈敏度為：
   
       ΔT=ΔL/L(α1-α2)
   
      其中， △L為紅外位移傳感器對(duì)有機(jī)玻璃長(zhǎng)度測(cè)量的靈敏度。
   
       紅外位移傳感器，主要機(jī)構(gòu)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。
   
       我們可以看到它是利用紅外光電二級(jí)管的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律，通過(guò)其遮擋的光通量與輸出電流的關(guān)系確定遮擋體。能將微小的溫度轉(zhuǎn)換成電壓的變化。在運(yùn)用放大電路將其進(jìn)行放大處理。結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡建立電壓信號(hào)與溫度的函數(shù)關(guān)系。最后利于高精度的螺旋測(cè)微器進(jìn)行定標(biāo)，最終形成我們可以得到一個(gè)具有較高測(cè)量精度(3×10-7 m)的位移測(cè)量?jī)x。
   
       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，因此我們可以認(rèn)為紅外位移傳感器不會(huì)對(duì)測(cè)量的溫度環(huán)境有影響。
   
    3、儀器的制作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
   
       我們將設(shè)計(jì)好的溫度傳感器與靈敏度為0.001℃的石英溫度計(jì)放入一個(gè)銅制的匣子里，并且盡可能將兩者接近，這樣減少兩者間的環(huán)境溫度差別。同時(shí)放置一個(gè)用黑盒子包裹的功率為1W 的燈泡給匣子進(jìn)行加熱。采用黑盒子是為了減少匣子內(nèi)背景光對(duì)紅外位移傳感器的影響。實(shí)驗(yàn)中我們的數(shù)據(jù)采集是利用PCL-71IB數(shù)據(jù)采集卡。PCL-711B是一塊具有高性能、高速度、多功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡，它適用于現(xiàn)行的IBM PC或其它兼容計(jì)算機(jī)。它的高性能、豐富的軟件支持以及多種功用，使得PCL-71IB成為了工業(yè)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的理想選擇。我們利用其A／D轉(zhuǎn)換功能并結(jié)合串口通訊將數(shù)據(jù)輸入到PC機(jī)進(jìn)行后期處理。
   
        在實(shí)驗(yàn)中，我們將燈泡打開(kāi)控制功率為IW，約25分鐘后達(dá)到60℃，由于升溫過(guò)程較快，所以我們選用降溫過(guò)程進(jìn)行測(cè)量。約30分鐘后溫度達(dá)到50℃，2小時(shí)后達(dá)到室溫(28℃)。由于溫度變化所對(duì)應(yīng)的電壓變化比較劇烈。測(cè)量選用的溫度變化控制在40℃－39.905℃。每次當(dāng)石英溫度計(jì)的讀數(shù)改變0.005℃時(shí)，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(jì)的測(cè)量溫度如表1。

表1 溫度——電壓測(cè)量數(shù)據(jù)表

   從表1中數(shù)據(jù)我們進(jìn)行線性擬合，其曲線和擬合方程結(jié)果如下：
   
       線性擬合方程式為：T=39.949+(-0.00926)*V，R=-0.99863。從圖2中我們可以看到，其線性度還足比較好的，盡管在有些地方出現(xiàn)了小的波動(dòng)。
   
       其中傳感器的靈敏度為： k＝ΔLT／ΔLV＝9.26×10-5℃/mV，比較現(xiàn)行的其它溫度傳感器，我們可以看到，其靈敏度較石英溫度計(jì)下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且其線性度比較好，從結(jié)構(gòu)來(lái)看設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，適用范圍廣泛，而且特別適合需要精密測(cè)量溫度的環(huán)境。

圖1 整葉實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 溫度——電壓擬合曲線

    4、總結(jié)
   
       從整個(gè)的傳感器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，我們發(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(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果造成的一定的影響，不過(guò)今后我們將選用線性度好和膨脹系數(shù)高的新型材料，我們有理由相信這種新型的紅外溫度傳感器的精度將進(jìn)一步提高。當(dāng)然另一方面由于位移傳感器的分辨率的限制，這種新型的溫度傳感器在溫度變化較大的環(huán)境中還有些不足，當(dāng)就我們常用的工作和實(shí)驗(yàn)環(huán)境而言，它完全可以取代傳統(tǒng)的溫度計(jì)．從這種角度來(lái)說(shuō)其應(yīng)用前景時(shí)比較廣闊的。