红外线温度传感器的设计与实现 传感器技术指标

1、引言

在物理实验和生产实际中。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的因素。因此要求我们必须对环境温度进行精密的测量。对测量仪器也应有如下的要求，即制造成本低。测量精度高。线形度好，应用范围广。便于安装和调试。目前市场上有多种传感器可以用来实现温度的测量。常用的有石英温度计、光纤传感温度计、热敏电阻温度计等在上述几种器件中，石英温度计灵敏度最高，目前可达到℃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。

本文即是要开发一种红外线式高精度的温度测量仪器。我们所知道红外光的特性：单色性好，抗干扰，比较适合高精度的测量。我们所要设计的仪器结构简单．容易制作，便于安装，可进行高精度的温度测量，该温度测量可直接输出到微机或pc机进行后期的数据处理，十分方便易行。

2、仪器的原理和用途

我们采用北京东林松工贸有限公司生产的微品玻璃陶瓷材料制成一个圆筒，这种微晶玻璃陶瓷材料具有真空性好、耐高低温、绝缘和耐酸碱腐蚀等性能，其基本性能指标如下：使用温度-273℃～1000℃体积电阻率1.08 x 1014Ω·cm，热膨胀系数为 αl = 8.6 x 10-6/℃，微品玻璃陶瓷抗热冲击性能非常好，从800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃强度不变化。在筒内的一端固定一根长L=10cm的薄有机玻璃圆筒，在筒内另一端固定一个红外位移传感器，并且让有机玻璃棒的自由端将红外接收管的接收面遮住一半，使其工作在线性度可以的区域。由于有机玻璃的热膨胀系数为α2＝1.7 x 10-4/℃，两者相差达2个数量级，所以当温度变化时，我们可以认为有机玻璃在陶瓷卡材料上的相对位移可以忽略，故有机玻璃的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也随之改变。这种新型温度传感器的测量灵敏度为：

ΔT=ΔL/L(α1-α2)

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，主要机构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。

我们可以看到它是利用红外光电二级管的光电转换规律，通过其遮挡的光通量与输出电流的关系确定遮挡体。能将微小的温度转换成电压的变化。在运用放大电路将其进行放大处理。结合数据采集卡建立电压信号与温度的函数关系。最后利于高精度的螺旋测微器进行定标，最终形成我们可以得到一个具有较高测量精度(3×10-7 m)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，因此我们可以认为红外位移传感器不会对测量的温度环境有影响。

3、仪器的制作与实验结果

我们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，并且尽可能将两者接近，这样减少两者间的环境温度差别。同时放置一个用黑盒子包裹的功率为1W 的灯泡给匣子进行加热。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。实验中我们的数据采集是利用PCL-71IB数据采集卡。PCL-711B是一块具有高性能、高速度、多功能的数据转换卡，它适用于现行的IBM PC或其它兼容计算机。它的高性能、丰富的软件支持以及多种功用，使得PCL-71IB成为了工业应用和实验设备的理想选择。我们利用其A／D转换功能并结合串口通讯将数据输入到PC机进行后期处理。

在实验中，我们将灯泡打开控制功率为IW，约25分钟后达到60℃，由于升温过程较快，所以我们选用降温过程进行测量。约30分钟后温度达到50℃，2小时后达到室温(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40℃－39.905℃。每次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如表1。

表1 温度——电压测量数据表

从表1中数据我们进行线性拟合，其曲线和拟合方程结果如下：

线性拟合方程式为：T=39.949+(-0.00926)*V，R=-0.99863。从图2中我们可以看到，其线性度还足比较好的，尽管在有些地方出现了小的波动。

其中传感器的灵敏度为： k＝ΔLT／ΔLV＝9.26×10^-5℃/mV，比较现行的其它温度传感器，我们可以看到，其灵敏度较石英温度计下降一个数量级。而且其线性度比较好，从结构来看设备相对简单，成本低，适用范围广泛，而且特别适合需要精密测量温度的环境。

图1 整叶实验装置结构图

图2 温度——电压拟合曲线

4、总结

从整个的传感器的设计和实现过程中，我们发现由于选用材料的复杂性和性能指数的稳定性，对实验的结果造成的一定的影响，不过今后我们将选用线性度好和膨胀系数高的新型材料，我们有理由相信这种新型的红外温度传感器的精度将进一步提高。当然另一方面由于位移传感器的分辨率的限制，这种新型的温度传感器在温度变化较大的环境中还有些不足，当就我们常用的工作和实验环境而言，它完全可以取代传统的温度计．从这种角度来说其应用前景时比较广阔的。

• 检查项目

1. 外观检查

产品应整洁，外观表面不得有凹痕、裂痕、变形，不得有明显的划痕，表面涂覆比起泡

龟裂、脱落和明显磨损，零部件应该紧固无松动。

1. 包装

称重传感器应用软质地材料进行防尘和防潮包装，并有一定的防冲击、雨淋能力。

1. 标志应有下列标志

• 制造厂名、厂址
• 产品名称
• 商标
• 产品型号
• 准确度等级
• 产品编好
• 制造计量产品许可证编号

1. 合格证

合格证应有下列内容：

• 厂名
• 许可证编号
• 产品名称
• 型号规格
• 出厂编号
• 精度等级
• 测试温度
• 指导仪表
• 测试湿度
• 激励电压
• 测试人员
• 校验人员
• 厂方定专用彰
• 测试日期

1. 测试数据

 测试数据应有下列测试结果：

• 额定载荷
• 灵敏度
• 非线性
• 滞后误差
• 重复性质误差
• 零点输出
• 输入电阻
• 输出电阻
• 绝缘电阻
• 激励电压
• 温度范围
• 允许过载
• 浅色标示

• 进厂检验项目

∆ 测试设备

  测试平台：稳压电源，标准砝码，190数字万用表

∆ 测试环境

温度：-10～40℃

相对湿度：不大于90%

电压：85%～110%V

频率：98%～102%H50HZ

1. 线性度误差试验

  在加载装置规定的挂码处，分别0M、1/4M、1/2M、3/4M、M,再分别卸载至0M，并记录加载到卸载这一循环过程的累计显示数据。静态线性误差按下公式计算

式中：P1：空载平均显示值；

      P2：模拟zui大荷重的平均显示值；

∆Pmax：各测点上加，卸载的平均值与理论值之差；

      取其中zui大差值，计算结果应符合表1*项规定。

1. 重复性试验

  在固定的挂码装置上，用同一加载方法同一加载重量重复试验五次，zui大值与zui小值误差应满足表1第二项要求，按下列公式计算，直到满足为止。

 式中：Cmax：五次中测得zui大值

Cmin：五次中测得zui小值

C：表示规定值

1. 零值稳定性试验

在空载情况下，进行连续3min5次零值检测，零值稳定性检验应符合表1第3项要求，记录零值显示的数据按下列计算。

式中：Cmax：五次中测得zui大值

Cmin：五次中测得zui小值

C：表示规定值

1. 静态分辨率试验

在相同测试的条件下，按表1第四项的要求增加载荷，显示值后者应大于前者。

1. 传感器进厂检测记录

 一．线性试验（模拟加载装置M为传感器量程）

测量次数		1	2	3	平均值	理论值	误差值
0M
1/4M
1/2M
3/4M
M
zui大线性误差（％）		允许 （%）				单项结论

 

二．重复性试验（挂码传感器量程80%）

检验次数	1	2	3	4	5
累计示值
极差（kg）				单项结论

 

• 滞后性试验

挂码量	升程	回程	误差
0M
1/4M
1/2M
3/4M
M
极差		允差	单项结论

 

四．输入输出电阻

输入电阻		标准阻值		允差
输出电阻		标准阻值		允差
单项结论