紅外線溫度傳感器的設計與實現

紅外線溫度傳感器的設計與實現

作者：陳遠金，程永進，吳雄偉

　　本文介紹了一種新型的紅外線溫度傳感器的測量原理、設計制作和實驗結果。其基本機構是利用高糈度紅外位移傳感器測量隨溫度的變化熱膨脹系數較大的有機玻璃長度．我們通過運用靈敏度為0．001℃的高精度石英溫度計對其校準．這種儀器的溫度測量精度可以達到℃數量級，比較市場上現有的溫度傳感器，其靈敏度和線性度都有較大的優勢，具有廣泛的應用前景。
    1、引言
       在物理實驗和生產實際中。往往需要高精度的測量。環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境溫度進行精密的測量。對測量儀器也應有如下的要求，即制造成本低。測量精度高。線形度好，應用范圍廣。便于安裝和調試。目前市場上有多種傳感器可以用來實現溫度的測量。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，目前可達到℃數量級 然而，這些傳感器的價格一般都比較貴。線性度難以達到精密測量的要求。
   
        本文即是要開發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。我們所要設計的儀器結構簡單．容易制作，便于安裝，可進行高精度的溫度測量，該溫度測量可直接輸出到微機或pc機進行后期的數據處理，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有限公司生產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，其基本性能指標如下：使用溫度-273℃～1000℃體積電阻率1.08 x 1014Ω·cm，熱膨脹系數為 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℃強度不變化。在筒內的一端固定一根長L=10cm的薄有機玻璃圓筒，在筒內另一端固定一個紅外位移傳感器，并且讓有機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域。由于有機玻璃的熱膨脹系數為α2＝1.7 x 10-4/℃，兩者相差達2個數量級，所以當溫度變化時，我們可以認為有機玻璃在陶瓷卡材料上的相對位移可以忽略，故有機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玻璃長度測量的靈敏度。
   
       紅外位移傳感器，主要機構由紅外發光二極管發射和接受裝置，數據放大去噪部分以及數據采集處理系統組成。
   
       我們可以看到它是利用紅外光電二級管的光電轉換規律，通過其遮擋的光通量與輸出電流的關系確定遮擋體。能將微小的溫度轉換成電壓的變化。在運用放大電路將其進行放大處理。結合數據采集卡建立電壓信號與溫度的函數關系。最后利于高精度的螺旋測微器進行定標，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。
   
       由于光電轉換的電流較小而且紅外發光二極管的功率也較低，因此我們可以認為紅外位移傳感器不會對測量的溫度環境有影響。
   
    3、儀器的制作與實驗結果
   
       我們將設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 的燈泡給匣子進行加熱。采用黑盒子是為了減少匣子內背景光對紅外位移傳感器的影響。實驗中我們的數據采集是利用PCL-71IB數據采集卡。PCL-711B是一塊具有高性能、高速度、多功能的數據轉換卡，它適用于現行的IBM PC或其它兼容計算機。它的高性能、豐富的軟件支持以及多種功用，使得PCL-71IB成為了工業應用和實驗設備的理想選擇。我們利用其A／D轉換功能并結合串口通訊將數據輸入到PC機進行后期處理。
   
        在實驗中，我們將燈泡打開控制功率為IW，約25分鐘后達到60℃，由于升溫過程較快，所以我們選用降溫過程進行測量。約30分鐘后溫度達到50℃，2小時后達到室溫(28℃)。由于溫度變化所對應的電壓變化比較劇烈。測量選用的溫度變化控制在40℃－39.905℃。每次當石英溫度計的讀數改變0.005℃時，便讀取相應的電壓數據，最終得到的電壓數據以及石英溫度計的測量溫度如表1。

表1 溫度——電壓測量數據表

   從表1中數據我們進行線性擬合，其曲線和擬合方程結果如下：
   
       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量級。而且其線性度比較好，從結構來看設備相對簡單，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境。

圖1 整葉實驗裝置結構圖

圖2 溫度——電壓擬合曲線

    4、總結
   
       從整個的傳感器的設計和實現過程中，我們發現由于選用材料的復雜性和性能指數的穩定性，對實驗的結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一步提高。當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境中還有些不足，當就我們常用的工作和實驗環境而言，它完全可以取代傳統的溫度計．從這種角度來說其應用前景時比較廣闊的。