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热电偶温度传感器硬件系统的设计
- 2019-04-03-

热电偶温度传感器硬件系统的设计

集成温度传感器AD 590及其应用


AD 590是AD公司利用PN结构的正向电流与温度的关系制作的一种电流输出型双端温度传感器。介绍了AD 590的功能和特点。分析了AD 590的工作原理。给出了AD 590的设计。


温度传感器具有广泛的用途和大量的传感器,在各种传感器中排名第一。温度传感器的发展经历了以下三个阶段:


1.传统的离散温度传感器(包括敏感元件),主要能够在非电和功率之间切换。

2.模拟集成温度传感器/控制器。

3.智能温度传感器目前,国际上新型的温度传感器正从模拟数字、集成化、网络化向智能化方向发展。


温度传感器的分类


根据传感器与被测介质的接触方式,将温度传感器分为两类:一种是接触式温度传感器,另一种是非接触式温度传感器。


接触式温度传感器的测温元件与被测对象有良好的热接触,热平衡是根据热传导和对流原理实现的。这是要测量的物体的温度。该测温方法精度高,能够测量物体内部的温度分布。但是,这种方法对于运动、热容小、对温度敏感元件有腐蚀作用的物体会产生很大的误差。


非接触式测温的测温元件不与被测物体接触。常用的是辐射换热原理。这种测量稳定性的方法的主要特点是可以测量运动的小目标和具有小或快速热容的物体。它们也可以测量温度场的温度分布,但它们更受环境的影响。


温度传感器的研制


1.传统离散温度传感器-热电偶传感器


热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的温度传感器。它与被测试对象直接接触。它不受中间介质的影响,精度高。测量范围宽,可连续测量-50~1600°C,特殊热电偶如金、铁-镍铬,最低可测-269℃,钨-铼高达2800°C。


2.模拟集成温度传感器


集成传感器采用硅半导体集成工艺制作,因此也称为硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器诞生于20世纪80年代。它将温度传感器集成在一块芯片上,完成温度测量和模拟信号输出。


模拟集成温度传感器具有功能单一(只测量温度)、温度测量误差小、价格低廉、响应快、传输距离长、体积小、功耗小等特点,适用于长距离温度测量,不需要无变形线性校准,外围电路简单。


2.1光纤传感器


光纤测温原理


光纤测温技术可分为两类:一种是利用辐射测量原理,利用光纤作为传输光通量的导体,用光敏元件构成结构传感器;二是光纤本身是温度传感元件,是发射光通量的功能传感器。。该光纤具有良好的灵活性、宽的光谱范围和低的传输损耗。方便现场使用或远程传输,光纤直径小。它可以用于单、束、Y或阵列模式。结构简单,体积小。。因此,作为一种温度计,适用的测试对象几乎包罗万象,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封、高压、强磁场、核辐射、严格的防爆、防水、防腐、空间特别小或特小。工件等等。目前光纤测温技术主要有总辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法和多波长测温法等。


2.1.1总辐射测温


总辐射测温是用普朗克定律测量全波段辐射能的方法:


由于来自周围背景的辐射、测试距离、吸收、发射和传输介质的影响,周围背景的变化会严重影响精度。同时,发射率也很难预测。然而,由于高温计结构简单、操作方便、自动测量、温度范围宽等优点,在工业中被普遍用作固定温度监测装置。这种光纤温度计的测量范围一般为600~3000℃,最大误差为16°C。


2.1.2单辐射测温


从黑体辐射定律可知,物体在一定温度下的单色辐照度是温度的单值函数,单色辐射的生长速度比温度快得多,通过测量单个辐射的亮度可以得到温度信息。在通常的温度和波长范围内,单色辐射用Wien公式表示:


2.1.3双波长温度测量


双波长温度测量方法利用不同工作波长的两个信号比与温度之间的单值关系来确定物体的温度。这两个信号的比率如下:


在实际应用中,测量R(T)后,通过查表得到温度T。同时,适当地选择了λ1和λ2,使被测对象在两个特定的波段中近似等于ε(λ1,T和ε(λ2,T),并且可以得到目标的真实温度,而不管发射率如何。该方法响应快,不受电磁感应影响,抗干扰能力强.特别是在粉尘和烟雾等恶劣环境下,它在测量目标不充满视场的运动或振动物体的温度方面具有优势。但是,由于它假设两个波段的发射率相等,只有灰度体是满意的,因此在实际应用中受到了限制。这种仪器的温度范围一般在600~3000℃,精度可达2°C。


2.1.4多波长辐射温度测量


多波长辐射温度测量方法利用目标的多光谱辐射测量信息,对数据进行处理,得到材料的真实温度和光谱发射率。考虑到多波长高温计有n个通道,第一通道的输出信号Si可以表示为:将公式(9)-(13)与公式(8)相结合,求解方程的方法是求得温度T和光谱发射率。1988年,Coates[8,9]讨论了在方程(9)和(10)假设下的多波长高温计数据拟合方法和精度问题。1991年,Mansoor[10]总结了多波长高温计的数据拟合方法和精度问题.该方法具有较高的精密度。目前,Hiernon等人。欧洲联盟和美国联合研究小组研究了亚毫米6波长高温计(图4)用于测量2000-5000 K的真实温度[11]。哈尔滨工业大学研制了一种棱镜光谱35波长高温计,用于烧蚀材料的真实温度测量。多波长高温计在测量真实温度方面显示出了巨大的潜力.多波长高温测量是测量高温和超高温真实温度的一种很有前途的仪器,特别是对瞬态高温物体来说更是如此。该仪器具有较宽的温度范围,可用于600~5000℃温度范围内的真温度测量,精度为±1%。


2.1.5结论


光纤技术的发展为非接触式温度测量在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤测温技术解决了热电偶和传统红外测温仪无法解决的许多问题。在高温领域,光纤测温技术正显示出越来越强的生命力。全辐射温度测量方法测量整个波段的辐射能量以获得温度。周围背景的辐射、介质吸收速率的变化以及辐射εT的预测都给测量带来了困难,难以达到较高的精度。单辐射测温方法选择的波段越窄,越好,但带宽太窄,使得探测器接收到的能量变得太小,影响了其测量精度。多波长辐射温度测量是一种非常精确的测量方法,但测量过程复杂,成本高。这是很难推广和应用的。双波长测温方法采用波长窄带比较技术,克服了上述方法的诸多不足。在极其苛刻的条件下,如烟尘、蒸汽、颗粒等,目标表面发射率在目标表面发射率条件下仍可改变。获得更高的精度


2.2半导体吸收型光纤温度传感器是一种光透射型光纤温度传感器。所谓光纤温度传感器,是指在光纤传感系统中,光纤仅作为光波的传输路径,而其它敏感元件如光学或机械元件则用来检测被测温度的变化。这类光纤主要采用具有数值孔径和大芯径的阶梯多模光纤。因为它使用光纤传输信号,所以它也有光纤。


该传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、安全防爆等优点,适用于传统传感器无法测量的现场。其中,半导体吸收光纤温度传感器是其中较为深入的研究之一。

该半导体吸收光纤温度传感器由半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光电探测器的信号处理系统组成。体积小,灵敏度高,操作可靠,制造方便,无杂散光损失。因此,在高压功率器件的温度测量等特殊场合具有重要的应用价值。


半导体吸收光纤温度传感器的温度测量原理


该半导体吸收光纤温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱特性作为温度函数来实现的。研究表明,半导体的禁带宽度为20~972 K。

温度T关系式


3.智能温度传感器


智能温度传感器(也称为数字温度传感器)于20世纪90年代中期问世.它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的产物。目前,国际上已开发出多种智能温度传感器产品。智能温度传感器内部包括温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。一些产品还配备了多路复用器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。


智能温度传感器可以输出温度数据和相关的温度控制,适应各种单片机(MCU),通过软件实现测试功能,即智能依赖于软件开发水平。


3.1数字温度传感器。


随着科学技术的不断进步和发展,温度传感器的种类越来越多。数字温度传感器在与模拟传感器和微处理器接口时,更适合于信号调理。电路和A/D转换器的优点广泛应用于各种温度控制系统,如工业控制、电子温度计和医疗器械等。其中,典型的数字温度传感器有DS 1820、MAX 6575、DS 1722、MAX 6635等。


首先介绍DS 1722的工作原理。


1.DS 1722的主要特点

DS 1722是一种低成本、低功耗、三总线数字温度传感器.主要特性如表1所示。

2.DS 1722的内部结构

数字温度传感器DS 1722可在8引脚的m-SOP封装和8引脚SOIC封装中使用.如图1所示。它由四个主要部件组成:精密温度传感器、模拟数字转换器、SPI/三线接口电子器件和数据寄存器。内部结构如图2所示。


当电源打开时,DS 1722处于断电状态。开机后,用户将寄存器分辨率更改为连续转换温度模式或单转换模式。在连续转换模式下,DS 1722连续转换温度,并将结果存储在温度寄存器中。读取温度寄存器的内容不影响其温度转换。在单一转换模式下,DS 1722执行温度转换,并将结果存储在温度寄存器中。回到关闭模式,这种转换模式适合于温度敏感的应用。在应用程序中,用户可以设置分辨率寄存器以实现不同的温度分辨率。其分辨率为8位、9位、10位、11位或12位,相应的温度分辨率为1.0°C。在0.5°C、0.25°C下,温度转换结果的默认分辨率为9位。0.125°C或0.0625°C,DS 1722有两个通信接口:摩托罗拉串行接口和标准三线接口。用户可以通过SERMODE引脚选择通信标准。


DS 1722温度操作方法


传感器DS 1722将温度转换为数字量,并以二进制补码格式将其存储在温度寄存器中。温度寄存器中地址01H和02h的数据可以通过SPI或三线接口读取。输出数据的地址如表2所示。表3显示了输出数据的二进制形式与十六进制形式之间的确切关系。在表3中,假设DS 1722被配置为12位分辨率.数据通过数字接口连续传输,MSB(最重要位)首先通过SPI发送,LSB(最小有效位)首先通过三条线路发送。


4、DS 1722工作程序


DS 1722的所有操作过程都是由SPI接口或三总线通信接口通过为状态寄存器位置选择合适的地址来完成的。表4显示寄存器地址表,该表显示DS 1722的两个寄存器(状态和温度)的地址。

1 SHOT是一个单步温度转换位,SD是一个关机位。如果SD位为“1”,则不执行连续温度转换。当将1 SHOT位写入“1”时,DS 1722执行温度转换,并将结果存储在温度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中。1温度转换后,SHOT自动清除为“0”。如果SD位为“0”,则输入连续转换模式,DS 1722将继续执行温度转换并将所有结果存储在温度寄存器中。虽然写入1 SHOT位的数据被忽略,但用户对该位具有读写访问权限。如果SD被更改为“1”,则正在进行的转换将一直持续到完成并存储结果,然后设备将进入低功耗关闭模式。


当传感器启动时,默认的1 SHOT位是“0”。R0、R1和R2是温度分辨率位,如表5所示(x=任意值)。用户可以读写对R2、R1和R0位的访问。当电源处于默认状态时,r2=“0”,r1=“0”,r0=“1”(9位转换)。此时,通信端口保持活动状态,用户对SD位具有读/写访问权,其默认值为“1”(关闭模式)。


第二,智能温度传感器DS18B20的原理及应用。


DS18B20是达拉斯半导体公司继DS 1820之后研制的一种新型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,它可以直接读出测量的温度,并能根据实际需要通过简单的编程实现9~12位数的数字读数。9位和12位数字量分别可在93.75 ms和750 ms内完成,从DS18B20读取或写入DS18B20的信息只需一行(单线接口)即可读写,温度转换功率由数据总线导出,总线本身也可以在不增加电源的情况下向附加DS18B20供电。


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