熱電偶溫度傳感器硬件系統(tǒng)的設(shè)計 - 2019-04-03- 熱電偶溫度傳感器硬件系統(tǒng)的設(shè)計集成溫度傳感器AD 590及其應(yīng)用AD 590是AD公司利用PN結(jié)構(gòu)的正向電流與溫度的關(guān)系制作的一種電流輸出型雙端溫度傳感器。介紹了AD 590的功能和特點(diǎn)。分析了AD 590的工作原理。給出了AD 590的設(shè)計。溫度傳感器具有廣泛的用途和大量的傳感器，在各種傳感器中排名第一。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個階段：1.傳統(tǒng)的離散溫度傳感器(包括敏感元件)，主要能夠在非電和功率之間切換。2.模擬集成溫度傳感器/控制器。3.智能溫度傳感器目前，國際上新型的溫度傳感器正從模擬數(shù)字、集成化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化方向發(fā)展。溫度傳感器的分類根據(jù)傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式，將溫度傳感器分為兩類：一種是接觸式溫度傳感器，另一種是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象有良好的熱接觸，熱平衡是根據(jù)熱傳導(dǎo)和對流原理實現(xiàn)的。這是要測量的物體的溫度。該測溫方法精度高，能夠測量物體內(nèi)部的溫度分布。但是，這種方法對于運(yùn)動、熱容小、對溫度敏感元件有腐蝕作用的物體會產(chǎn)生很大的誤差。非接觸式測溫的測溫元件不與被測物體接觸。常用的是輻射換熱原理。這種測量穩(wěn)定性的方法的主要特點(diǎn)是可以測量運(yùn)動的小目標(biāo)和具有小或快速熱容的物體。它們也可以測量溫度場的溫度分布，但它們更受環(huán)境的影響。溫度傳感器的研制1.傳統(tǒng)離散溫度傳感器-熱電偶傳感器熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它與被測試對象直接接觸。它不受中間介質(zhì)的影響，精度高。測量范圍寬，可連續(xù)測量-50~1600°C，特殊熱電偶如金、鐵-鎳鉻，最低可測-269℃，鎢-錸高達(dá)2800°C。2.模擬集成溫度傳感器集成傳感器采用硅半導(dǎo)體集成工藝制作，因此也稱為硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器誕生于20世紀(jì)80年代。它將溫度傳感器集成在一塊芯片上，完成溫度測量和模擬信號輸出。模擬集成溫度傳感器具有功能單一(只測量溫度)、溫度測量誤差小、價格低廉、響應(yīng)快、傳輸距離長、體積小、功耗小等特點(diǎn)，適用于長距離溫度測量，不需要無變形線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。2.1光纖傳感器光纖測溫原理光纖測溫技術(shù)可分為兩類：一種是利用輻射測量原理，利用光纖作為傳輸光通量的導(dǎo)體，用光敏元件構(gòu)成結(jié)構(gòu)傳感器；二是光纖本身是溫度傳感元件，是發(fā)射光通量的功能傳感器。。該光纖具有良好的靈活性、寬的光譜范圍和低的傳輸損耗。方便現(xiàn)場使用或遠(yuǎn)程傳輸，光纖直徑小。它可以用于單、束、Y或陣列模式。結(jié)構(gòu)簡單，體積小。。因此，作為一種溫度計，適用的測試對象幾乎包羅萬象，可用于其他溫度計難以應(yīng)用的特殊場合，如密封、高壓、強(qiáng)磁場、核輻射、嚴(yán)格的防爆、防水、防腐、空間特別小或特小。工件等等。目前光纖測溫技術(shù)主要有總輻射測溫法、單輻射測溫法、雙波長測溫法和多波長測溫法等。2.1.1總輻射測溫總輻射測溫是用普朗克定律測量全波段輻射能的方法：由于來自周圍背景的輻射、測試距離、吸收、發(fā)射和傳輸介質(zhì)的影響，周圍背景的變化會嚴(yán)重影響精度。同時，發(fā)射率也很難預(yù)測。然而，由于高溫計結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動測量、溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中被普遍用作固定溫度監(jiān)測裝置。這種光纖溫度計的測量范圍一般為600~3000℃，最大誤差為16°C。2.1.2單輻射測溫從黑體輻射定律可知，物體在一定溫度下的單色輻照度是溫度的單值函數(shù)，單色輻射的生長速度比溫度快得多，通過測量單個輻射的亮度可以得到溫度信息。在通常的溫度和波長范圍內(nèi)，單色輻射用Wien公式表示：2.1.3雙波長溫度測量雙波長溫度測量方法利用不同工作波長的兩個信號比與溫度之間的單值關(guān)系來確定物體的溫度。這兩個信號的比率如下：在實際應(yīng)用中，測量R(T)后，通過查表得到溫度T。同時，適當(dāng)?shù)剡x擇了λ1和λ2，使被測對象在兩個特定的波段中近似等于ε(λ1，T和ε(λ2，T)，并且可以得到目標(biāo)的真實溫度，而不管發(fā)射率如何。該方法響應(yīng)快，不受電磁感應(yīng)影響，抗干擾能力強(qiáng).特別是在粉塵和煙霧等惡劣環(huán)境下，它在測量目標(biāo)不充滿視場的運(yùn)動或振動物體的溫度方面具有優(yōu)勢。但是，由于它假設(shè)兩個波段的發(fā)射率相等，只有灰度體是滿意的，因此在實際應(yīng)用中受到了限制。這種儀器的溫度范圍一般在600~3000℃，精度可達(dá)2°C。2.1.4多波長輻射溫度測量多波長輻射溫度測量方法利用目標(biāo)的多光譜輻射測量信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到材料的真實溫度和光譜發(fā)射率?？紤]到多波長高溫計有n個通道，第一通道的輸出信號Si可以表示為：將公式(9)-(13)與公式(8)相結(jié)合，求解方程的方法是求得溫度T和光譜發(fā)射率。1988年，Coates[8，9]討論了在方程(9)和(10)假設(shè)下的多波長高溫計數(shù)據(jù)擬合方法和精度問題。1991年，Mansoor[10]總結(jié)了多波長高溫計的數(shù)據(jù)擬合方法和精度問題.該方法具有較高的精密度。目前，Hiernon等人。歐洲聯(lián)盟和美國聯(lián)合研究小組研究了亞毫米6波長高溫計(圖4)用于測量2000-5000 K的真實溫度[11]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種棱鏡光譜35波長高溫計，用于燒蝕材料的真實溫度測量。多波長高溫計在測量真實溫度方面顯示出了巨大的潛力.多波長高溫測量是測量高溫和超高溫真實溫度的一種很有前途的儀器，特別是對瞬態(tài)高溫物體來說更是如此。該儀器具有較寬的溫度范圍，可用于600~5000℃溫度范圍內(nèi)的真溫度測量，精度為±1%。2.1.5結(jié)論光纖技術(shù)的發(fā)展為非接觸式溫度測量在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了非常有利的條件。光纖測溫技術(shù)解決了熱電偶和傳統(tǒng)紅外測溫儀無法解決的許多問題。在高溫領(lǐng)域，光纖測溫技術(shù)正顯示出越來越強(qiáng)的生命力。全輻射溫度測量方法測量整個波段的輻射能量以獲得溫度。周圍背景的輻射、介質(zhì)吸收速率的變化以及輻射εT的預(yù)測都給測量帶來了困難，難以達(dá)到較高的精度。單輻射測溫方法選擇的波段越窄，越好，但帶寬太窄，使得探測器接收到的能量變得太小，影響了其測量精度。多波長輻射溫度測量是一種非常精確的測量方法，但測量過程復(fù)雜，成本高。這是很難推廣和應(yīng)用的。雙波長測溫方法采用波長窄帶比較技術(shù)，克服了上述方法的諸多不足。在極其苛刻的條件下，如煙塵、蒸汽、顆粒等，目標(biāo)表面發(fā)射率在目標(biāo)表面發(fā)射率條件下仍可改變。獲得更高的精度2.2半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器是一種光透射型光纖溫度傳感器。所謂光纖溫度傳感器，是指在光纖傳感系統(tǒng)中，光纖僅作為光波的傳輸路徑，而其它敏感元件如光學(xué)或機(jī)械元件則用來檢測被測溫度的變化。這類光纖主要采用具有數(shù)值孔徑和大芯徑的階梯多模光纖。因為它使用光纖傳輸信號，所以它也有光纖。該傳感器具有電絕緣、抗電磁干擾、安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳統(tǒng)傳感器無法測量的現(xiàn)場。其中，半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器是其中較為深入的研究之一。該半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器由半導(dǎo)體吸收器、光纖、光發(fā)射器和包括光電探測器的信號處理系統(tǒng)組成。體積小，靈敏度高，操作可靠，制造方便，無雜散光損失。因此，在高壓功率器件的溫度測量等特殊場合具有重要的應(yīng)用價值。半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器的溫度測量原理該半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜特性作為溫度函數(shù)來實現(xiàn)的。研究表明，半導(dǎo)體的禁帶寬度為20~972 K。溫度T關(guān)系式3.智能溫度傳感器智能溫度傳感器(也稱為數(shù)字溫度傳感器)于20世紀(jì)90年代中期問世.它是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的產(chǎn)物。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包括溫度傳感器、A/D傳感器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。一些產(chǎn)品還配備了多路復(fù)用器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器可以輸出溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制，適應(yīng)各種單片機(jī)(MCU)，通過軟件實現(xiàn)測試功能，即智能依賴于軟件開發(fā)水平。3.1數(shù)字溫度傳感器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，溫度傳感器的種類越來越多。數(shù)字溫度傳感器在與模擬傳感器和微處理器接口時，更適合于信號調(diào)理。電路和A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種溫度控制系統(tǒng)，如工業(yè)控制、電子溫度計和醫(yī)療器械等。其中，典型的數(shù)字溫度傳感器有DS 1820、MAX 6575、DS 1722、MAX 6635等。首先介紹DS 1722的工作原理。1.DS 1722的主要特點(diǎn)DS 1722是一種低成本、低功耗、三總線數(shù)字溫度傳感器.主要特性如表1所示。2.DS 1722的內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字溫度傳感器DS 1722可在8引腳的m-SOP封裝和8引腳SOIC封裝中使用.如圖1所示。它由四個主要部件組成：精密溫度傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、SPI/三線接口電子器件和數(shù)據(jù)寄存器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)電源打開時，DS 1722處于斷電狀態(tài)。開機(jī)后，用戶將寄存器分辨率更改為連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度模式或單轉(zhuǎn)換模式。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，DS 1722連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度，并將結(jié)果存儲在溫度寄存器中。讀取溫度寄存器的內(nèi)容不影響其溫度轉(zhuǎn)換。在單一轉(zhuǎn)換模式下，DS 1722執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲在溫度寄存器中?；氐疥P(guān)閉模式，這種轉(zhuǎn)換模式適合于溫度敏感的應(yīng)用。在應(yīng)用程序中，用戶可以設(shè)置分辨率寄存器以實現(xiàn)不同的溫度分辨率。其分辨率為8位、9位、10位、11位或12位，相應(yīng)的溫度分辨率為1.0°C。在0.5°C、0.25°C下，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的默認(rèn)分辨率為9位。0.125°C或0.0625°C，DS 1722有兩個通信接口：摩托羅拉串行接口和標(biāo)準(zhǔn)三線接口。用戶可以通過SERMODE引腳選擇通信標(biāo)準(zhǔn)。DS 1722溫度操作方法傳感器DS 1722將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式將其存儲在溫度寄存器中。溫度寄存器中地址01H和02h的數(shù)據(jù)可以通過SPI或三線接口讀取。輸出數(shù)據(jù)的地址如表2所示。表3顯示了輸出數(shù)據(jù)的二進(jìn)制形式與十六進(jìn)制形式之間的確切關(guān)系。在表3中，假設(shè)DS 1722被配置為12位分辨率.數(shù)據(jù)通過數(shù)字接口連續(xù)傳輸，MSB(最重要位)首先通過SPI發(fā)送，LSB(最小有效位)首先通過三條線路發(fā)送。4、DS 1722工作程序DS 1722的所有操作過程都是由SPI接口或三總線通信接口通過為狀態(tài)寄存器位置選擇合適的地址來完成的。表4顯示寄存器地址表，該表顯示DS 1722的兩個寄存器(狀態(tài)和溫度)的地址。1 SHOT是一個單步溫度轉(zhuǎn)換位，SD是一個關(guān)機(jī)位。如果SD位為“1”，則不執(zhí)行連續(xù)溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)將1 SHOT位寫入“1”時，DS 1722執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲在溫度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中。1溫度轉(zhuǎn)換后，SHOT自動清除為“0”。如果SD位為“0”，則輸入連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，DS 1722將繼續(xù)執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換并將所有結(jié)果存儲在溫度寄存器中。雖然寫入1 SHOT位的數(shù)據(jù)被忽略，但用戶對該位具有讀寫訪問權(quán)限。如果SD被更改為“1”，則正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換將一直持續(xù)到完成并存儲結(jié)果，然后設(shè)備將進(jìn)入低功耗關(guān)閉模式。當(dāng)傳感器啟動時，默認(rèn)的1 SHOT位是“0”。R0、R1和R2是溫度分辨率位，如表5所示(x=任意值)。用戶可以讀寫對R2、R1和R0位的訪問。當(dāng)電源處于默認(rèn)狀態(tài)時，r2=“0”，r1=“0”，r0=“1”(9位轉(zhuǎn)換)。此時，通信端口保持活動狀態(tài)，用戶對SD位具有讀/寫訪問權(quán)，其默認(rèn)值為“1”(關(guān)閉模式)。第二，智能溫度傳感器DS18B20的原理及應(yīng)用。DS18B20是達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司繼DS 1820之后研制的一種新型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它可以直接讀出測量的溫度，并能根據(jù)實際需要通過簡單的編程實現(xiàn)9~12位數(shù)的數(shù)字讀數(shù)。9位和12位數(shù)字量分別可在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成，從DS18B20讀取或?qū)懭隓S18B20的信息只需一行(單線接口)即可讀寫，溫度轉(zhuǎn)換功率由數(shù)據(jù)總線導(dǎo)出，總線本身也可以在不增加電源的情況下向附加DS18B20供電。 上一條: 各類熱電偶的使用壽命 下一條: 如何購買合格和合適的熱電偶？ 相關(guān)行業(yè)知識 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