热敏传感器论文光纤温度传感器论文

84图1 传 统 温 度 检 测 装 置 的 电 路 框 图基 于 热 敏 电 阻 的 新 型 温 度 检 测 装 置 研 究 与 实 现 刘二林 ， 等基 于 热 敏 电 阻 的 新 型 温 度 检 测 装 置 研 究 与 实 现 *刘 二 林 1 ， 姜 香 菊 2（1 兰 州 交 通 大 学 甘 肃 兰 州 ，730070）（2 兰 州 交 通 大 学 自 动 化 与 电 气 工 程 学 院 甘 肃 兰 州 ，730070）摘 要 ： 将 温 度 传 感 器 采 集 得 到 的 信 号 经 A/D 转 换 器 转 换 ， 然 后 送 往 单 片 机 进 行 处 理 从 而 得 到 相 应 的 温 度 值 是 目 前 温 度 检 测 的 常 用 方 法 。 本 设 计 一 改 传 统 的 设 计 模 式 ， 利 用 单 片 机 P 1 口 的 电 路 特 殊 性 ， 设 计 出 一 种 温 度 检 测 装 置 ， 并 对 此 进 行 了 误 差 分 析 。 此 电 路 设 计 结 构 简 单 ， 测 量 精 度 较 高 ， 有 很 强 的 实 际 应 用 价 值 。关 键 词 ： 单 片 机 ； 热 敏 电 阻 ； 温 度 检 测Abstract: The common method of temperature measurement is capturing the signal by A / D converter and then is processed by Single-chip. The design Changes the traditional design pattern, which uses A / D converter to measure. It uses P1 to capture the signal and then temperature is got through calculation by Single-chip. It is showed that the design is reasonable through error analysis. This design circuit is simple, measurement precision is high and the practical application is strong value.Key words: Single-chip ; Thermistor ; Temperature measurement中 图 分 类 号 ： TP216 文 献 标 识 码 ： B 文 章 编 号 ： 1001-9227(2010)02-0084-030 引 言温 度 是 化 工 行 业 生 产 中 常 见 的 和 最 基 本 的 工 艺 参 数 之 一 ， 任 何 物 理 变 化 和 化 学 变 化 的 过 程 都 与 温 度 密 切 相关 ， 与 之 相 对 应 ， 温 度 检 测 装 置 的 设 计 也 层 出 不 穷 的 出由 热 敏 电 阻 的 B 值 公 式 为 ：(1)现 。 目 前 ， 随 着 市 场 的 需 要 ， 化 工 教 学 实 验 仪 器 产 业 飞 速 发 展 ， 从 而 使 化 工 教 学 实 验 仪 器 厂 家 对 温 控 仪 的 控 制 精 度及 可 靠 性 方 面 的 要 求 不 断 提 高 。 例 如 恒 温 水 浴 槽 （ 河 南 英峪 予 华 仪 器 厂 产 品 ） ， 其 控 制 的 精 度 一 般 要 达 到 0.1 ， 在 这 种 情 况 下 ， 设 计 者 就 不 得 不 考 虑 在 降 低 成 本 的 情 况 下 如 何 来 提 高 精 度 ， 从 而 满 足 客 户 的 需 求 。 本 设 计 就 是 针 对 温 控 仪 的 温 度 检 测 部 分 进 行 的 改 进 。1 传 统 的 温 度 检 测 装 置 分 析 （ 以 热 敏 电 阻 为 例 ）1.1 传统 的 电 路 设计 及公式推 导传 统 的 温 度 检 测 装 置 一 般 由 热 敏 电 阻 、 放 大 及 调 理 电 路 、 A/D 转 换 器 、 MCS-51 系 列 单 片 机 芯 片 等 几 部 分 组 成 ，其 电 路 框 图 如 图 1 所 示 。 其 原 理 是 把 热 敏 电 阻 两 端 的 电 压 值 （模拟量 ） 经 过 A/D 转 换 器 （ 变 为 数 字 量 ） 送 到 单 片 机 中 ， 然 后 再 通 过 公 式 求 得 温 度 值 。收 稿 日 期 :2009-11-18* 甘 肃 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (0803RJZA015)式中 ， B 为 NTC 热 敏 电 阻 的 B 值 ， 由 厂 家 提 供 (同时 ， 厂家 也 会 提 供 额 定 零 功 率 电 阻 值 阻 值 R 25 )； T1、 T2 为 绝 对 温 标 ；RT1、 RT2 为 热 敏 电 阻 在 温 度 分 别 为 T1 、 T2 时 的 电 阻 值 。 由 式 (1)式可 得 ：(2) 由 B 值 定 义 可 知 ， 在 T1=298.15K（ 在 25 时 的 热 力 学 温 度 ）时 ， RT1 =R 1 ， 设 温 度 为 T2 时热敏电阻的分压值为 V2 ， 则(3) 由 式 (3)可得(4) 将 式 (4)代 入 式 (2)得(5) 所 以(6) 假 设 8 位 ADC 输 出 值 为 N， 则 ，换 算 为 摄 氏 温 度 后 则 T=T2-273.15。1.2 电 路在 设计 方面存在的 问题从 电 路 设 计 上 我 们 可 以 看 出 其 设 计 弊 端 为 ： 电 路 较为复杂， 这会增加成本、 降低可靠性 。 ADC 输入端口有 限 ， 限 制 了 多 点 测 量 。图3 程 序 流 程 图c1 自 动 化 与 仪 器 仪 表 2010 年第 2 期 （ 总 第 148 期） 当然 ， 目 前 大 多 数 单 片 机 带 有 A/D 转 换 器 ， 这 在 某 种程 度 上 简 化 了 电 路 的 设 计 ， 但 是 还 是 没 有 彻 底 解 决 电 路 复杂 的 问 题 。1.3 电 路在 误 差方面存在的 问题 因 为 传 统 的 设 计 使 用 了 A/D 转 换 等 元 器 件 ， 所 以 ， 在 具 体 设 计 的 过 程 中 就 可 能 出 现 热 敏 电 阻 的 输 出 小 于 A/ D 转换的输入值。 为了解决这种问题， 就需要降低 A/D 转 换器 的 精 度 。 A/D 转 换 器 自 身 存 在 的 误 差 及 分 辨 率 问 题 。 由 于 电 路 复 杂 ， 使 用 的 元 器 件 较 多 。 这 样 就 不 可 避 免 的 存 在 热 敏 电 阻 存 在 的 误 差 、 运 算 放 大 存 在 的 误 差 、 增益 设 置 电 阻 存 在 的 误 差 、 电 压 基 准 误 差 、 假 定 的 恒 定 电 流 存 在 的 误 差 等 。 这 么 多 的 误 差 势 必 会 使 测 温 电 路 整 体 误 差 变 大 ， 进 而 超 出 测 量 允 许 误 差 范 围 。2 新 型 温 度 检 测 装 置 的 硬 件 设 计2.1 设 计 的 基 本 原 理为 了 解 决 上 述 问 题 ， 设 计 提 出 了 一 个 全 新 的 设 计 方 案。 这个方案用的也是热敏电阻 和 8051 单片机 ， 但是省去 了 A/D 转 换 这 个 步 骤 ， 结 构 简 单 ， 容 易 实 现 。 具 体 原 理 如 下 ：在 电 容 的 各 种 状 态 相 同 的 情 况 下 （ 主 要 指 电 容 的 电 压 ） 先 给 电 容 C 充 电 ， 用 热 敏 电 阻 R 1 和 电 容 相 串 联 并 给 电 容 放 电 ， 并 用 单 片 机 内 部 的 定 时 器 / 计 数 器 对 电 容 放 电 时 间 进 行 计 数 ， 并 计 算 出 放 电 时 间 T 1 ； 同 理 ， 用 精 密 电 阻 R 2 和 电 容 相 串 联 ， 在 相 同 条 件 下 给 电 容 放 电 从 而 计 算 出 另 一 个 放 电 时 间 T 2 。由 电 容 放 电 公 式 ： （ Uc 与 U 以 伏 计 ， T 以 秒 计 ， R 以 欧 姆 计 ， C 以 法 计 ） 可 知 ： 由 于 通 过 R1 和 R2 对 电 容 放电 是 采 用 同 一 个 电 容 放 电 ， 所 以 U c 与 U 相 同 ， 进 而 可 以 得到出 特 性 可 知 ， P1 口 在 输 入 低 电 平 时 范 围 为 （ -0.5V 0.8V） ，在输出高电平时为 2.4V。 由公式 可 以 看 出 ， 假 设 U 为 2.4 伏 特 ， U 为 0.8 伏 特 ， 则 e-T/RC=0.333， 所 以 T=1.099*RC。 由此可看出 ， 只要我们适当调整电阻及电容的取 值 就 可 以 得 到 适 当 的 时 间 。图 2 检 测 装 置 的 硬 件 电 路3 新 型 温 度 检 测 装 置 软 件 设 计首 先 将 P1.0 与 P1.1 口 设 置 为 输 入 状 态 ， 将 P1.2 设置 为高电平输出， 并延迟一定时间 ， 让 P1.2 充分给电容充电 至电容的电压达到高电平 （2 .4V 左右） 。 然后将 P1.2 设置 为 输 入 状 态 ， 将 P1.0 设 置 为 输 入 状 态 ， P1.1 设 置 为 低 电 平 输出， 并 启 动 定 时 器 / 计数器。 当 P1.2 的 输 入 由 高 电 平 变 为 低 电 平 时 ， 停 止 计 时 并 读 取 定 时 器 / 计 数 器 的 值 ， 计 算 出 放 电 时 间 T 1 。 同 理 ， 再 次 通 过 P1.2 给 电 容 充 电 ， 并 通 过P1.1 给 电 容 放 电 ， 并 获 得 放 电 时 间 T 2 。 最 后 利 用 式 (8) 计算 出 所 求 值 ， 其 软 件 流 程 图 如 图 3 所 示 。由 式 (1)和 式 (7)可得又 因 为 R2 =RT1， T2 及 T1由 单 片 机 测 出 。 所 以(7)(8)在 本 设 计 中 ， 组 件 参 数 为 C=10010-6F， R1=10k（ R 为 热敏电阻在 25 摄 氏 度 时 的 阻 值 ， 精度为 1%) ， B=3000k ，R2=10k（ 精 密 电 阻 ， 精 度 为 0.1%） 。2.2 硬 件 电 路 设 计检 测 装 置 硬 件 电 路 如 图 2 所示， 在 设 计 中 ， 用 P1.0 与 热 敏 电 阻 R1 端 相 连 ， 用 P1.1 与 精 密 电 阻 R2 端 相 连 ， P1.2 口 则 用 于 给 电 容 C 充 电 。在 具 体 计 算 过 程 中 ， 必 须 使 放 电 时 间 保 持 在 一 定 范 围 内 以 方 便 计 算 ， 所 以 ， 应 该 对 电 阻 及 电 容 的 取 值 进 行 设 定， 从 而 得 到 合 适 的 放 电 时 间 。 由 51 系 列 单 片 机 的 输 入 输4 温 度 检 测 装 置 的 误 差 估 算由 式 (7)知 ， 热 敏 电 阻 阻 值 与 T1 、 R2 、 T2三 个 参 数 有 关 。 由 三 元 函 数 Y=F(X1,X2,X3)的 误 差 传 递 基 本 公 式可知85(上 接 第 83页) R min 为 在 柱 塞 同 一 行 程 位 置 测 得 的 一 组 添 加 剂 加 注 比按 图 4 所 示 的 流 程 ， 将 满 足 三 等 计 量 准 确 度 要 求 、 容 例 的 最 小 值 ；量 为 5L 的 量 入 量 出 式 标 准 金 属 容 器 ， 采 用 启 停 容 积 法 分 结 论 ： 装 置 在 柱 塞 不 同 行 程 长 度 处 工 作 时 加 注 添 加 别 获 取 每 次 试 验 过 程 中 添 加 剂 与 流 量 计 量 值 ， 从 而 计 算 添 剂 的 相 对 极 限 误 差 均 小 于 1% ， 符 合 技 术 指 标 的 规 定 。 加剂 与 喷 气 燃 料 的 比 值 ， 分 别 连 续 和 非 连 续 采 集 试 验 数 2.4 主要性能与技 术 指 标 的 对 比据 ， 分 别 在 加 注 泵 柱 塞 相 对 行 程 长 度 100%、 75%、 50%、 30% 添 加 剂 加 注 流 量 计 主 要 性 能 与 战 术 技 术 指 标 的 比 较 和 加 注 泵 排 量 最 小 处 ， 依 次 连 续 测 定 五 组 添 加 剂 与 喷 气 燃 如 表 3 所 示 。 料 体 积 比 数 据 ， 各 相 对 行 程 长 度 处 取 单 个 比例 测 量 值 应 不 表 3 主 要 性 能 与 技 术 指 标 的 比 较少 于 三 个 。 （见 表 2 ， 100% 行 程 罗 列 完 整 实 验 数 据 ， 其余行 程 省 略 部 分 数 据 ）加 注 装 置 添 加 剂 加 注 比 例 的 相 对 极 限 误 差 按 下 式 计算 ：由 上 表 可 以 看 出 ， 添 加 剂 加 注 流 量 计 各 项 性 能 均 能 式 中 ， R max 为 在 柱 塞 同 一 行 程 位 置 测 得 的 一 组 添 加 剂 满 足 技 术 指 标 的 要 求 。加 注 比 例 的 最 大 值 ； 3 结 论添 加 剂 加 注 流 量 计 无 须 电 机 等 其 他 动 力 机 提 供 动 力 支 持 ， 是 一 种 仅 依 靠 流 量 计 中 喷 气 燃 料 的 流 动 即 可 带 动 添加 剂 加 注 泵 按 预 定 比 例 执 行 添 加 剂 加 注 作 业 的 装 置 ， 同时 具 备 高 精 度 的 流 量 计 量 和 实 时 的 添 加 剂 加 注 功 能 ， 并 可 以 实 现 添 加 剂 加 注 比 例 的 实 时 调 整 和 加 注 作 业 的 随 时 控 制 。在 飞 机 加 注 设 备 上 使 用 ， 可 以 安 全 、 准 确 、 高 效 地 在 线 加 注 热 安 定 性 等 添 加 剂 ， 对 提 高 飞 机 的 工 作 可 靠 性 、 飞 行 安图4 作 业 准 确 度 试 验 流 程 图 全 及 技 战 术 性 能 的 发 挥 ， 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。表 2 作 业 准 确 度 试 验 记 录参 考 文 献1 黎文济 .喷 气 燃 料 应 用 M.石 油 工 业 出 版 社 ,1996 年2 张冬梅 ,张怀安 ,曹 文 杰 等 .喷 气 燃 料 热 安 定 性 对 飞 机 发 动 机 的 影响 J 航空制造技术, 2008 年 13 期: 919 33 刘济瀛 中 国 喷 气 燃 料 M.中 国 石 化 出 版 社 ,1991 年4 黎文济, 张 智 勇 .未 来 美 国 军 用 航 空 油 料 发 展 概 论 M 国 防 工 业出版社, 1992年(9) 对 于 同 一 个 51 单 片 机 来 说 ， 其 定 时 精 度 是 一 样 的 ， 所以由 可 以 得 到 ：(10) 由 式 (7)和 式 (10)可得(11) 所 以 ， 通 过 分 析 可 知 ， R 1 的 测 量 误 差 仅 与 R 2 的 误 差 有 关 。同 时 又 因 为 热 敏 电 阻 R 1 在 测 量 温 度 时 自 身 会 存 在 误 差 ，所 以 对 于 同 一 系 统 可 以 将 两 种 误 差 算 术 相 加 从 而 得 到最 终 误 差 。 由 此 可 看 出 ， 假 定 选 取 精