1、引言

在物理實驗和生產(chǎn)實際中。往往需要高精度的測量。環(huán)境溫度對測量的影響是一個重要的因素。因此要求我們必須對環(huán)境溫度進(jìn)行精密的測量。對測量儀器也應(yīng)有如下的要求，即制造成本低。測量精度高。線形度好，應(yīng)用范圍廣。便于安裝和調(diào)試。目前市場上有多種傳感器可以用來實現(xiàn)溫度的測量。常用的有石英溫度計、光纖傳感溫度計、熱敏電阻溫度計等在上述幾種器件中，石英溫度計靈敏度最高，目前可達(dá)到℃數(shù)量級 然而，這些傳感器的價格一般都比較貴。線性度難以達(dá)到精密測量的要求。

本文即是要開發(fā)一種紅外線式高精度的溫度測量儀器。我們所知道紅外光的特性：單色性好，抗干擾，比較適合高精度的測量。我們所要設(shè)計的儀器結(jié)構(gòu)簡單．容易制作，便于安裝，可進(jìn)行高精度的溫度測量，該溫度測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L=10cm的薄有機(jī)玻璃圓筒，在筒內(nèi)另一端固定一個紅外位移傳感器，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，使其工作在線性度可以的區(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個數(shù)量級，所以當(dāng)溫度變化時，我們可以認(rèn)為有機(jī)玻璃在陶瓷卡材料上的相對位移可以忽略，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量靈敏度為：

ΔT=ΔL/L(α1-α2)

其中， △L為紅外位移傳感器對有機(jī)玻璃長度測量的靈敏度。

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管的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律，通過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與溫度的函數(shù)關(guān)系。最后利于高精度的螺旋測微器進(jìn)行定標(biāo)，最終形成我們可以得到一個具有較高測量精度(3×10-7 m)的位移測量儀。

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對測量的溫度環(huán)境有影響。

3、儀器的制作與實驗結(jié)果

我們將設(shè)計好的溫度傳感器與靈敏度為0.001℃的石英溫度計放入一個銅制的匣子里，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。同時放置一個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)背景光對紅外位移傳感器的影響。實驗中我們的數(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)用和實驗設(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。

在實驗中，我們將燈泡打開控制功率為IW，約25分鐘后達(dá)到60℃，由于升溫過程較快，所以我們選用降溫過程進(jìn)行測量。約30分鐘后溫度達(dá)到50℃，2小時后達(dá)到室溫(28℃)。由于溫度變化所對應(yīng)的電壓變化比較劇烈。測量選用的溫度變化控制在40℃－39.905℃。每次當(dāng)石英溫度計的讀數(shù)改變0.005℃時，便讀取相應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，最終得到的電壓數(shù)據(jù)以及石英溫度計的測量溫度如表1。

表1 溫度——電壓測量數(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。

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下降一個數(shù)量級。而且其線性度比較好，從結(jié)構(gòu)來看設(shè)備相對簡單，成本低，適用范圍廣泛，而且特別適合需要精密測量溫度的環(huán)境。

圖1 整葉實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 溫度——電壓擬合曲線

4、總結(jié)

從整個的傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)過程中，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，對實驗的結(jié)果造成的一定的影響，不過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驗環(huán)境而言，它完全可以取代傳統(tǒng)的溫度計．從這種角度來說其應(yīng)用前景時比較廣闊的。

• 檢查項目

1. 外觀檢查

產(chǎn)品應(yīng)整潔，外觀表面不得有凹痕、裂痕、變形，不得有明顯的劃痕，表面涂覆比起泡

龜裂、脫落和明顯磨損，零部件應(yīng)該緊固無松動。

1. 包裝

稱重傳感器應(yīng)用軟質(zhì)地材料進(jìn)行防塵和防潮包裝，并有一定的防沖擊、雨淋能力。

1. 標(biāo)志應(yīng)有下列標(biāo)志

• 制造廠名、廠址
• 產(chǎn)品名稱
• 商標(biāo)
• 產(chǎn)品型號
• 準(zhǔn)確度等級
• 產(chǎn)品編好
• 制造計量產(chǎn)品許可證編號

1. 合格證

合格證應(yīng)有下列內(nèi)容：

• 廠名
• 許可證編號
• 產(chǎn)品名稱
• 型號規(guī)格
• 出廠編號
• 精度等級
• 測試溫度
• 指導(dǎo)儀表
• 測試濕度
• 激勵電壓
• 測試人員
• 校驗人員
• 廠方定專用彰
• 測試日期

1. 測試數(shù)據(jù)

 測試數(shù)據(jù)應(yīng)有下列測試結(jié)果：

• 額定載荷
• 靈敏度
• 非線性
• 滯后誤差
• 重復(fù)性質(zhì)誤差
• 零點輸出
• 輸入電阻
• 輸出電阻
• 絕緣電阻
• 激勵電壓
• 溫度范圍
• 允許過載
• 淺色標(biāo)示

• 進(jìn)廠檢驗項目

? 測試設(shè)備

  測試平臺：穩(wěn)壓電源，標(biāo)準(zhǔn)砝碼，190數(shù)字萬用表

? 測試環(huán)境

溫度：-10～40℃

相對濕度：不大于90%

電壓：85%～110%V

頻率：98%～102%H50HZ

1. 線性度誤差試驗

  在加載裝置規(guī)定的掛碼處，分別0M、1/4M、1/2M、3/4M、M,再分別卸載至0M，并記錄加載到卸載這一循環(huán)過程的累計顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)線性誤差按下公式計算

式中：P1：空載平均顯示值；

      P2：模擬zui大荷重的平均顯示值；

?Pmax：各測點上加，卸載的平均值與理論值之差；

      取其中zui大差值，計算結(jié)果應(yīng)符合表1*項規(guī)定。

1. 重復(fù)性試驗

  在固定的掛碼裝置上，用同一加載方法同一加載重量重復(fù)試驗五次，zui大值與zui小值誤差應(yīng)滿足表1第二項要求，按下列公式計算，直到滿足為止。

 式中：Cmax：五次中測得zui大值

Cmin：五次中測得zui小值

C：表示規(guī)定值

1. 零值穩(wěn)定性試驗

在空載情況下，進(jìn)行連續(xù)3min5次零值檢測，零值穩(wěn)定性檢驗應(yīng)符合表1第3項要求，記錄零值顯示的數(shù)據(jù)按下列計算。

式中：Cmax：五次中測得zui大值

Cmin：五次中測得zui小值

C：表示規(guī)定值

1. 靜態(tài)分辨率試驗

在相同測試的條件下，按表1第四項的要求增加載荷，顯示值后者應(yīng)大于前者。

1. 傳感器進(jìn)廠檢測記錄

 一．線性試驗（模擬加載裝置M為傳感器量程）

測量次數(shù)		1	2	3	平均值	理論值	誤差值
0M
1/4M
1/2M
3/4M
M
zui大線性誤差（％）		允許 （%）				單項結(jié)論

 

二．重復(fù)性試驗（掛碼傳感器量程80%）

檢驗次數(shù)	1	2	3	4	5
累計示值
極差（kg）				單項結(jié)論

 

• 滯后性試驗

掛碼量	升程	回程	誤差
0M
1/4M
1/2M
3/4M
M
極差		允差	單項結(jié)論

 

四．輸入輸出電阻

輸入電阻		標(biāo)準(zhǔn)阻值		允差
輸出電阻		標(biāo)準(zhǔn)阻值		允差
單項結(jié)論