红外线温度传感器的设计与实现

本文介绍了一种新型的红外线温度传感器的测量原理、设计制作和实验结果。其基本机构是利用高糈度红外位移传感器测量随温度的变化热膨胀系数较大的有机玻璃长度．我们通过运用灵敏度为0．001℃的高精度石英温度计对其校准．这种仪器的温度测量精度可以达到℃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的优势，具有广泛的应用前景。


  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*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*好的区域。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。*后利于高精度的螺旋测微器进行定标，*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，*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。