红外线温度传感器的设计与实现.doc

红外线温度传感器的设计与实现摘  要：本文介绍一种新型的红外线温度传感器其基本工作机理是利用高精度红外位移传感器测量热膨胀系数较大的有机玻璃长度。用灵敏度为0.001的高精度石英温度计对其校准，证实这种仪器的温度测量精度可达10-5数量级，比较市场上现有的温度传感器，其灵敏度和线性度都有较大优势，具有广泛的应用前景。关键词：红外线；温度；传感器；分辨率    在物理实验和生产中，往往需要高精度的测量，环境温度对测量的影响是一个重要因素，因此，必须对环境温度进行精密测量。对测量仪器则要求制造成本低、测量精度高、线性度好、应用范围广、便于安装和调试。目前市场上可以用于测量温度的传感器有石英温度计、光纤传感温度计、热敏电阻温度计等。其中石英温度计灵敏度最高，可达到1×10-4数量级。然而这些传感器的价格一般都比较贵，线性度难以达到精密测量的要求。    本文介绍一种红外线式高精度温度测量仪器。其具有单色性好、抗干扰性能强等特点，比较适合高精度测量。此种仪器结构简单、容易制作、便于安装，所测温度可直接输出到微机进行后期数据处理，十分方便易行。    一、仪器原理和用途    本仪器采用北京东林松工贸有限公司生产的微晶玻璃陶瓷材料，其具有真空性好、耐高低温、绝缘和耐酸碱腐蚀等性能。基本性能指标如下：使用温度-2731 000；体积电阻率1.08×1 014cm；热膨胀系数为1=8.6×10-6/。该材料抗热冲击性能非常好，从800急冷至0不破碎，200急冷到0强度无变化。    用该陶瓷材料制成一个圆筒，筒内的一端固定一根长L=10cm的薄有机玻璃圆筒，另一端固定一个红外位移传感器，让有机玻璃棒的自由端将红外接收管的接收面遮住一半，使其工作在线性度最好的区域。由于有机玻璃的热膨胀系数为。2=1.7×10-4，两者相差达两个数量级，所以当温度变化时，可以认为有机玻璃在陶瓷材料上的相对位移可以忽略，故其自由端同红外位移传感器之间的相对位置变化将改变红外接收管的有效接收面积，从而使位移传感器输出电压随之改变。这种新型温度传感器的测量灵敏度为       其中L为红外位移传感器对有机玻璃长度测量的灵敏度。    红外位移传感器主要由红外发光二极管发射和接受装置、数据放大去噪部分以及数据采集处理系统组成。    它是利用红外光电二极管的光电转换规律，通过其遮挡的光通量与输出电流的关系确定遮挡体，将微小的温度变化转换成电压变化，通过放大电路进行放大处理，结合数据采集卡建立电压信号与温度的函数关系，然后利用高精度螺旋测微器定标，最终形成可以得到一个较高测量精度(3×10-7m)的位移测量仪。由于光电转换的电流较小，而且红外发光二极管的功率也较低，因此可以认为红外位移传感器不会对测量的温度环境有影响。    整个实验装置的结构如图1。    二、仪器的制作与实验结果    将设计好的温度传感器与灵敏度为0.001的石英温度计放入一个铜制的匣子里，并且尽可能使两者接近，以减少环境温度差别。同时放置一个用黑盒子包裹的功率为1W的灯泡给匣子加热，采用黑盒子是为了减少匣子内背景光对红外位移传感器的影响。实验中利用PCL-711B数据采集卡采集数据，该采集卡具有高性能、高速度、多功能等特点，适用于现行的IBM PC或其它兼容计算机。高性能、丰富的软件支持以及多种功用，使得PCL-711B成为工业应用和实验设备的理想选择。利用其A/D转换功能并结合串口通信将数据输入到PC机进行后期处理。    实验时，将灯泡打开约25min后，可达到60。由于升温过程较快，所以选用降温过程测量。约30min后温度达到50，2h后达到室温(28)，由于温度变化所对应的电压变化比较剧烈，测量选用的温度变化控制在4039.905。每当石英温度计的读数改变0.005时，便读取相应的电压数据。最终得到的电压数据以及石英温度计的测量温度见表1。        表1    对表1中数据进行线性拟合，其曲线和拟合议程结果见图2。    线性拟合方程式为T=39.949+(-0.00926)V    R=-0.99863    从图中可以看到尽管在有些地方出现了小的波动，其线性度还是比较好的。    其中传感器的灵敏度为/mV，和其它温度传感器比较可以看到，其灵敏度较石英温度计下降一个数量级，且线性度比较好。从结构来看，设备相对简单、成本低、适用范围广泛，而且特别适用于需要精密测量温度的环境。    三、总结    从整个传感器的设计和实现过程中，发现由于选用材料的复杂性和性能指数的稳定性，对实验的结果有一定影响。今后将考虑选用线性度好和膨胀系数高的新型材料，有理由相信这种新型的红外温度传感器的精度将会有进一步提高。    当然，由于位移传感器分辨率的限制，这种新型的温度传感器在温度变化较大的环境中使用尚有不足，但就常用工作和实验环境而言，它完全可以取代传统的温度计，具有较好的应用前景。参考文献：1程永进，陈远金，吴雄伟数字式红外线高精度位移测量仪J物理实验（24卷），2004.2常健生检测与转换技术M吉林工业大学出版社，1987.3蔡维铮常用电子元器件手册M哈尔滨工业大学出版社，1998.4赵丁选光机电一体化设计使用手册（上）M北京：化学工业出版社，2003.5刘迎春传感器原理，设计与应用M长沙：国防科技大学出版社，1989.