第一篇：DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)報(bào)告

傳感器課程設(shè)計(jì)

專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

---數(shù)字溫度計(jì)

年 級： 2011 級 姓 名： 樊 益 明

學(xué) 號： 20113042

指導(dǎo)教師： 劉 德 春

阿壩師專電子信息工程系

1.引 言

1.1.設(shè)計(jì)意義

在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點(diǎn)如下：

● 硬件電路復(fù)雜； ● 軟件調(diào)試復(fù)雜； ● 制作成本高。

本數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍為-55～125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625℃。

DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)要求

2.1基本要求 1)用LCD12232實(shí)現(xiàn)實(shí)時溫度顯示溫度和自己的學(xué)號。2)采用LED數(shù)碼管直接讀顯示。2.2擴(kuò)展功能

溫度報(bào)警，能任意設(shè)定溫度范圍實(shí)現(xiàn)鈴聲報(bào)警；

33.1單片機(jī)89C52模塊

單片機(jī)89C52是本設(shè)計(jì)中的控制核心，是一個40管腳的集成芯片構(gòu)成。引腳部分：單片機(jī)引腳基本電路部分與普通設(shè)計(jì)無異，40腳接Vcc+5V，20腳接地。X1，X2兩腳接12MHZ的晶振，可得單片機(jī)機(jī)器周期為1微秒。RST腳外延一個RST復(fù)位鍵，一端通過10K電阻接Vcc，一端通過10K電阻接地。AT89S52是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可編程Flash 存儲器。使

資料準(zhǔn)備 用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。P 0口接一個470的上拉電阻。P0口0~8腳接4位共陽數(shù)碼管的段選，P2口0~4腳接4位共陽數(shù)碼管的位選，P3.7接DS18B20采集信號。

3.2 DS18B20簡介

DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、DS1822 “一線總線”數(shù)字化溫度傳感器 同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為± 2°C。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20、DS1822 的特性 DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價格比也非常出色！DS1822與 DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本。省略了存儲用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS1820開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。3.3 溫度傳感器的工作原理

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減為750ms。DS18B20測溫原理：低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值，即為所測溫度。

3.4 DS18B20中的溫度傳感器對溫度的測量

高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表5所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在 高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。

溫度數(shù)據(jù)值格式

下表為12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際 溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，實(shí)際溫度=07D0H*0.0625=2000*0.0625=125℃。

例如-55℃的數(shù)字輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號位不變，也不作運(yùn)算），實(shí)際溫度=370H*0.0625=880*0.0625=55℃。

可見其中低四位為小數(shù)位。

DS18B20溫度與表示值對應(yīng)表

3.5 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下:

DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；

GND為電源地；

VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

1)64位的ROM 光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

2)DS18B20溫度傳感器的存儲器

DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。

暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。

3.6 DS18B20的時序

由于DS18B20采用的是單總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對89C51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。

由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。

1）DS18B20的復(fù)位時序

2）DS18B20的讀時序

對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。

對于DS18B20的讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。

3）DS18B20的寫時序

對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。

對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當(dāng)要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。

4系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如下圖所示：

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示

5硬件設(shè)計(jì)

溫度計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器，溫度計(jì)系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、LCD顯示電路、復(fù)位電路、溫度檢測電路、LCD驅(qū)動電路。

溫度計(jì)的工作過程是：初始化其接收需要檢測的溫度，并一直處于檢測狀態(tài)，并將檢測到的溫度值讀取，并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)值，通過LCD顯示出來，再顯示溫度,方便用戶來讀數(shù)使用記錄數(shù)據(jù)。

溫度計(jì)系統(tǒng)的的硬件電路圖如下圖所示。

DS18B20測溫和學(xué)號顯示

6系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

6.1主程序

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時顯示、讀出并處理DS18B20的測量溫度值。溫度測量每1s進(jìn)行一次。

主程序流程圖如圖4.1.1所示。

初始化調(diào)用顯示子程序1s到？YN初次上電？N讀出溫度值溫度計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)刷新Y發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令

主程序流程圖

6.2讀出溫度子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)。在讀出時須進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。

讀出溫度子程序流程圖如圖4.2所示。

發(fā)DS18B20復(fù)位信號發(fā)跳過ROM命令CRC校驗(yàn)正確？發(fā)讀取溫度命令Y移入溫度暫存器讀取操作，CRC校驗(yàn)YNN結(jié)束9字節(jié)完？

6.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令。當(dāng)采用12位分辨率時，轉(zhuǎn)換時間大約為750ms。在本程序設(shè)計(jì)中，采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序圖如圖4.3所示。

發(fā)DS18B20復(fù)位uml發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令

結(jié)束

6.4計(jì)算溫度子程序

計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值的正負(fù)判斷。

計(jì)算溫度子程序流程圖如圖4.4所示。

開始計(jì)算小數(shù)位溫度BCD值溫度零下？N計(jì)算整數(shù)位溫度BCD值Y置“+”標(biāo)志溫度值補(bǔ)碼置“—”標(biāo)志結(jié)束

6.5顯示數(shù)據(jù)刷新子程序

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中得顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高數(shù)據(jù)顯示位為0時，將符號顯示位移入下一位。

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖如圖4.5所示。設(shè)計(jì)總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用89S51芯片控制溫度傳感器DS18B52，再輔之以部分外圍電路實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的控制，性能穩(wěn)定，精度較高，而且擴(kuò)展性很強(qiáng)。由于DS18B20支持單總線協(xié)議，我們可以將多個DS18B52并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B52通信，占用較少的微處理器的端口就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫監(jiān)控系統(tǒng)。

我們在老師的指導(dǎo)下完成了基于DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，我們了解并熟悉DS18B20、AT89C2051以及74LS244的工作原理和性能。并且通過溫度計(jì)的制作，我們將電子技能實(shí)訓(xùn)課堂上學(xué)到的知識進(jìn)行運(yùn)用，并在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，更加增加對知識的認(rèn)識和理解。

第二篇：溫度傳感器課程設(shè)計(jì)

溫度傳感器簡單電路的集成設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇一個溫度傳感器的時候，將不再限制在模擬輸出或數(shù)字輸出裝置。與你系統(tǒng)需要相匹配的傳感器類型現(xiàn)在又很大的選擇空間。市場上供應(yīng)的所有溫度感應(yīng)器都是模擬輸出。熱電阻，RTDs和熱電偶是另一種輸出裝置，矽溫度感應(yīng)器。在多數(shù)的應(yīng)用中，這些模擬輸出裝置在有效輸出時需要一個比較器，ADC，或一個擴(kuò)音器。因此，當(dāng)更高技術(shù)的集成變成可能的時候，有數(shù)字接口的溫度傳感器變成現(xiàn)實(shí)。這些集成電路被以多種形式出售，從超過特定的溫度時才有信號簡單裝置，到那些報(bào)告遠(yuǎn)的局部溫度提供警告的裝置。現(xiàn)在不只是在模擬輸出和數(shù)字輸出傳感器之間選擇，還有那些應(yīng)該與你的系統(tǒng)需要相匹配的更廣闊的感應(yīng)器類型的選擇，溫度傳感器的類型：

圖一：傳感器和集成電路制造商提供的四中溫度傳感器

在圖一中舉例說明四種溫度感應(yīng)器類型。一個理想模擬傳感器提供一個完全線性的功能輸出電壓（A）。在傳感器（B）的數(shù)字I/O類中，溫度數(shù)據(jù)通常通過一個串行總線傳給微控制器。沿著相同的總線，數(shù)據(jù)由溫度傳感器傳到微控制器，通常設(shè)定溫度界限在引腳得數(shù)字輸出將下降的時候。當(dāng)超過溫度界限的時候，報(bào)警中斷微控制器。這個類型的裝置也提供風(fēng)扇控制。

模擬輸出溫度傳感器：

圖2 熱阻和矽溫度傳感器這兩個模擬輸出溫度探測器的比較。

熱電阻和矽溫度傳感器被廣泛地使用在模擬輸出溫度感應(yīng)器上。圖2清楚地顯示當(dāng)電壓和溫度之間為線性關(guān)系時，矽溫度傳感器比熱阻體好的多。在狹窄的溫度范圍之內(nèi)，熱電阻能提供合理的線性和好的敏感特性。許多構(gòu)成原始電路的熱電阻已經(jīng)被矽溫度感應(yīng)器代替。

矽溫度傳感器有不同的輸出刻度和組合。例如，與絕對溫度成比例的輸出轉(zhuǎn)換功能，還有其他與攝氏溫度和華氏溫度成比例。攝氏溫度部份提供一種組合以便溫度能被單端補(bǔ)給得傳感器檢測。

在最大多數(shù)的應(yīng)用中，這些裝置的輸出被裝入一個比較器或A/D轉(zhuǎn)換器，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字格式。這些附加的裝置，熱電阻和矽溫度傳感器繼續(xù)被利用是由于在許多情況下它的成本低和使用方便。數(shù)字I/O溫度傳感器： 大約在五年前，一種新類型溫度傳感器出現(xiàn)了。這種裝置包括一個允許與微控制器通信的數(shù)字接口。接口通常是12C或SMBus序列總線，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。閱讀微控制器的溫度報(bào)告，接口也接受來自溫控制器的指令。那些指令通常是溫度極限，如果超過，將中斷微控制器的溫度傳感器集成電路上的數(shù)字信號。微控制器然后能夠調(diào)整風(fēng)扇速度或減慢微處理器的速度，例如，保持溫度在控制之下。

圖3：設(shè)計(jì)的溫度傳感器可遙測處理器芯片上的p-n結(jié)溫度

圖4。溫度傳感器可檢測它自己的溫度和遙測四個p-n結(jié)溫度。

圖5。風(fēng)扇控制器/溫度傳感器集成電路也可使用PWM或一個線性模式的控制方案。

在圖4中畫是一個類似的裝置：而不是檢測一個p-n結(jié)溫度，它檢測四個結(jié)和它的自己內(nèi)部的溫度。因此內(nèi)部溫度接近周圍溫度。周圍溫度的測量給出關(guān)于系統(tǒng)風(fēng)扇是否正在適當(dāng)?shù)毓ぷ鞯闹甘尽?/p>

在圖5中顯示，控制風(fēng)扇是在遙測溫度時集成電路的主要功能。這個部分的使用能在風(fēng)扇控制的二個不同的模式之間選擇。在PWM模式中，微處理控制風(fēng)扇速度是通過改變送給風(fēng)扇的信號周期者測量溫度一種功能。它允許電力消耗遠(yuǎn)少于這個部分的線性模式控制所提供的。因?yàn)槟承╋L(fēng)扇在PWM信號控制它的頻率下發(fā)出一種聽得見的聲音，這種線性模式可能是有利的，但是需要較高功率的消耗和附加的電路。額外的功耗是整個系統(tǒng)功耗的一小部分。

當(dāng)溫度超出指定界限的時候，這個集成電路提供中斷微控制器的警告信號。這個被叫做過熱溫度的信號形式里，安全特征也被提供。如果溫度升到一個危險(xiǎn)級別的時候溫控制器或軟件鎖上，警告信號就不再有用。然而，溫度經(jīng)由SMBus升高到一個水平，過熱在沒有微控制器被使用去控制電路。因此，在這個非邏輯控制器高溫中，過熱能被直接用去關(guān)閉這個系統(tǒng)電源，沒有為控制器和阻力潛在的災(zāi)難性故障。

裝置的這個數(shù)字I/O普遍使用在服務(wù)器，電池組和硬盤磁碟機(jī)上。為了增加服務(wù)器的可靠性溫度在很多的位置中被檢測：在主板（本質(zhì)上是在底盤內(nèi)部的周圍溫度），在處理器鋼模之內(nèi)，和在其它發(fā)熱元件例如圖形加速器和硬盤驅(qū)動器。出于安全原因電池組結(jié)合溫度傳感器和使其最優(yōu)化已達(dá)到電池最大壽命。

檢測依靠中心馬達(dá)的速度和周圍溫度的硬盤驅(qū)動器的溫度有兩個號的理由：在驅(qū)動器中讀取錯誤增加溫度極限。而且硬盤的MTBF大大改善溫度控制。通過測量系統(tǒng)里面溫度，就能控制馬達(dá)速度將可靠性和性能最佳化。驅(qū)動器也能被關(guān)閉。在高端系統(tǒng)中，警告能為系統(tǒng)管理員指出溫度極限或數(shù)據(jù)可能丟失的狀況。

圖6。溫度超過某一界限的時候，集成電路信號能報(bào)警和進(jìn)行簡單的ON/OFF風(fēng)扇控制。

圖7.熱控制電路部分在絕對溫標(biāo)形式下，頻率與被測溫度成比例的產(chǎn)生方波的溫度傳感器

圖8。這個溫度傳感器傳送它的周期與被測溫度成比例的方波，因?yàn)橹话l(fā)送溫度數(shù)據(jù)需要一條單一線，就需要單一光絕緣體隔離信道。

模擬正溫度感應(yīng)器

“模擬正量”傳感器通常匹配比較簡單的測量應(yīng)用軟件。這些集成電路產(chǎn)生邏輯輸出量來自被測溫度，而且區(qū)別于數(shù)字輸入/輸出傳感器。因?yàn)樗麄冊谝粭l單線上輸出數(shù)據(jù)，與串行總線相對。

在一個模擬正量傳感器的最簡單例子中，當(dāng)特定的溫度被超過的時候，邏輯輸出出錯：其它，是當(dāng)溫度降到一個溫度極限的時候。當(dāng)其它傳感器有確定的極限的時候，這些傳感器中的一些允許使用電阻去校正溫度極限。

在圖6中，裝置顯示購買一個特定的內(nèi)在溫度極限。這三個電路舉例說明這個類型裝置的使用：提供警告，關(guān)閉儀器，或打開風(fēng)扇。

當(dāng)需要讀實(shí)際溫度時，微控制器是可以利用的，在單線上傳送數(shù)據(jù)的傳感器可能是有用的。用微處理器的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，來自于這個類型溫度感應(yīng)器的信號很容易地被轉(zhuǎn)換成溫度的測量。圖7傳感器輸出頻率與周圍溫度成比例的方波。在圖8中的裝置是相似的，但是方波周期是與周圍溫度成比例的。

圖9。用一條公共線與8個溫度傳感器連接的微控制器，而且從同一條線上接收每個傳感器傳送的溫度數(shù)據(jù)。

圖9，在這條公共線上允許連接達(dá)到八個溫度傳感器。當(dāng)微控制器的I/O端口同時關(guān)閉這根線上的所有傳感器的時候，開始提取來自這些傳感器的溫度數(shù)據(jù)。微控制器很快地重新裝載接收來的每個傳感器的數(shù)據(jù)，在傳感器關(guān)閉期間，數(shù)據(jù)被編碼。在特定時間內(nèi)每個傳感器對閘口脈沖之后的時間編碼。分配給每個感應(yīng)器自己允許的時間范圍，這樣就避免沖突。

通過這個方法達(dá)到的準(zhǔn)確性令人驚訝：0.8 是典型的室溫，正好與被傳送方波頻率的電路相匹配，同樣適用于方波周期的裝置。

這些裝置在有線電線應(yīng)用中同樣顯著。舉例來說，當(dāng)一個溫度傳感器被微控制器隔離的時候，成本被保持在一個最小量，因?yàn)橹恍枰粋€光絕緣體。這些傳感器在汽車制造HVAC應(yīng)用中也是很有效，因?yàn)樗麄儨p少銅的損耗數(shù)量。溫度傳感器的發(fā)展：

集成電路溫度傳感器提供各式各樣的功能和接口。同樣地這些裝置繼續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將會看見更多特殊應(yīng)用就像傳感器與系統(tǒng)接口連接的新方式一樣。最后，在相同的鋼模區(qū)域內(nèi)集成更多的電子元件，芯片設(shè)計(jì)師的能力將確保溫度傳感器很快將會包括新的功能和特殊接口。

總結(jié)

通過這些天的查找資料，我了解了很多關(guān)于溫度傳感器方面的知識。我的大家都知道溫度的一些基本知識，溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。利用溫度所創(chuàng)造出來的傳感器即溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。并且從資料中顯示溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，在本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

這些天,我通過許多的資料了解到兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對這個連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱它為“熱電偶”。我查找的資料顯示數(shù)據(jù):不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在5～40微伏／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。

溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。溫度計(jì)通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉取５蜏販囟扔?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內(nèi)的溫度。

非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可以用來測量運(yùn)動物體、小目標(biāo)還有熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可以用于測量溫度場的溫度分布。資料顯示，最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法、輻射法和比色法。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體所測溫度才是真實(shí)溫度。如果想測定物體的真實(shí)溫度，就必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取絕于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)連，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中我發(fā)現(xiàn)往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實(shí)測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實(shí)溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，這樣才能提高有效發(fā)射系數(shù)。至于氣體和液體介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即是介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度。現(xiàn)在，我通過這些天的努力，了解了很多溫度傳感器及其相關(guān)的一些傳感器的知識。他們在我們生活中的應(yīng)用及其廣泛，我們只有加緊的學(xué)習(xí)加緊的完成自己所學(xué)專業(yè)的知識，了解相關(guān)的最新信息，我們才能跟上科技前進(jìn)的步伐。

參考文獻(xiàn)：

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第三篇：溫度傳感器的特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)

08電子李建龍081180241061 溫度傳感器的特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)

集成溫度傳感器是將作為感溫器件的晶體管及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化溫度傳感器。這類傳感器已在科研，工業(yè)和家用電器等方面、廣泛用于溫度的精確測量和控制。

一、目的要求 1． 2． 測量溫度傳感器的伏安特性及溫度特性，了解其應(yīng)用。

利用AD590集成溫度傳感器，設(shè)計(jì)制作測量范圍20℃～100℃的數(shù)字

顯示測溫裝置。3． 4． 對設(shè)計(jì)的測溫裝置進(jìn)行定標(biāo)和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并測定其溫度特性。寫出完整的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

二、儀器裝置

AD590集成溫度傳感器、變阻器、導(dǎo)線、數(shù)字電壓表、數(shù)顯溫度加熱設(shè)備等。

三、實(shí)驗(yàn)原理圖

AD590

R=1KΩ

E=（0-30V）

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

㈠測量伏安特性――確定其工作電壓范圍 ⒈按圖擺好儀器，并用回路法連接好線路。

⒉注意，溫度傳感器內(nèi)阻比較大，大約為20MΩ左右，電源電壓E基本上都加在了溫度傳感器兩端，即U＝E。選擇R4＝1KΩ，溫度傳感器的輸出電流I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。

⒊在0～100℃的范圍內(nèi)加溫，選擇0.0、10.0、20.0……90.0、100.0℃，分別測量在0.0、1.0、2.0……25.0、30.0V時的輸出電流大小。填入數(shù)據(jù)表格。

⒋根據(jù)數(shù)據(jù)，描繪V～I(xiàn)特性曲線。可以看到從3V到30V，基本是一條水平線，說明在此范圍內(nèi)，溫度傳感器都能夠正常工作。

⒌根據(jù)V～I(xiàn)特性曲線，確定工作電壓范圍。一般確定在5V～25V為額定工作電壓范圍。

㈡測量溫度特性――確定其工作溫度范圍

⒈按圖連接好線路。選擇工作電壓為10V，輸出電流為I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。

⒉升溫測量：在0～100℃的范圍內(nèi)加熱，選擇0.0、10.0、20.0……90.0、100.0℃時，分別同時測量輸出電流大小。將數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格。

注意：一定要溫度穩(wěn)定時再讀輸出電流值大小。由于溫度傳感器的靈敏度很高，大約為k=1μA／℃，所以，溫度的改變量基本等于輸出電流的改變量。因此，其溫度特性曲線是一條斜率為k=1的直線。⒊根據(jù)數(shù)據(jù)，描繪I～T溫度特性曲線。

⒋根據(jù)I～T溫度特性曲線，求出曲線斜率及靈敏度。

⒌根據(jù)I～T溫度特性曲線，在線性區(qū)域內(nèi)確定其工作溫度范圍。㈢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù): ⒈溫度特性

結(jié)論：

由IT特性曲線可知：AD590的靈敏度為：K=1 μΑ/ ℃； 工作溫度范圍大于20 ℃ ～100 ℃。⒉伏安特性

由V～I(xiàn)特性曲線可知：溫度傳感器工作電壓從3V到30V。（一般確定為：5V～30V）

四、探索與設(shè)計(jì)

㈠利用溫度傳感器，設(shè)計(jì)一個數(shù)碼顯示溫度計(jì)

用AD590集成溫度傳感器制作一個熱力學(xué)溫度計(jì)，畫出電路圖，說明調(diào)節(jié)方法。

原理圖 ⒈按圖擺好儀器，并用回路法連接好線路。

⒉絕對零度定標(biāo)：將電源負(fù)極C端認(rèn)為是絕對零度T0＝－273.15℃，將電路B端認(rèn)為是0℃，則從C到B，溫度每變化1℃，壓變化1mV，所以，UBC＝273.15mV。因此，調(diào)整R2、R3電阻大小，使UBC＝273.15mV。這就是絕對零度定標(biāo)。⒊室溫TS定標(biāo)：同理，將溫度傳感器放置于室溫為TS的水中，認(rèn)為電路A端是TS℃。因此，應(yīng)當(dāng)有UAB＝│TS│mV。調(diào)整R4電阻大小，使UAB＝│TS│mV。這就是室溫TS定標(biāo)。

⒋升溫測量：如將表頭分度值標(biāo)定為1℃，就從0℃開始，每升高1℃測量一次輸出電壓（電流）大小。如將表頭分度值標(biāo)定為5℃，就從0℃開始，每升高5℃測量一次輸出電壓（電流）大小。

⒌將升降溫的數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)處理。

⒍根據(jù)數(shù)據(jù)，描繪（電壓～溫度）V～T特性曲線。根據(jù)V～T特性曲線，將數(shù)字式（或指針式）電壓表重新標(biāo)定為溫度表。

⒎溫度計(jì)的改裝

: 根據(jù)左圖V～T特性曲線,將電壓表重新標(biāo)定為溫度計(jì),間隔為5 ℃

㈡利用溫度傳感器設(shè)計(jì)溫差溫度計(jì) ⒈原理圖:

⒉溫差溫度計(jì)的調(diào)節(jié)方法: 按A圖用回路法接好電路

絕對零度定標(biāo):將C端認(rèn)為是絕對零度-273.15 ℃,將B端認(rèn)為是0 ℃.調(diào)整R2,R3電阻的大小（實(shí)驗(yàn)如圖標(biāo)記）,使UBC=273.15mV 室溫TS定標(biāo):將兩個傳感器置于室溫TS的水中,認(rèn)為A、D端是TS=20 ℃.調(diào)整R4、R5的大小（實(shí)驗(yàn)如圖標(biāo)記）,使UAB= UDB =20mV 再按B圖接好電路

升溫測量:將D端溫度保持室溫(20 ℃),A端每升高5 ℃測量一次輸出電壓 根據(jù)數(shù)據(jù),繪制V～T特性曲線,將電壓表重新標(biāo)定為溫差溫度計(jì) ⒊溫差溫度計(jì)的改裝: 改裝: 根據(jù)左圖V～T特性曲線,將電壓表重新標(biāo)定為溫差溫度計(jì),間隔為5 ℃㈢創(chuàng)新設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn): 優(yōu)點(diǎn): AD590互換性好,抗干擾能力強(qiáng),溫度與電壓呈良好的線性關(guān)系,精度高

加熱設(shè)備采用水浴加熱,可以防止極間短路;試管中加入煤油,保證AD590與杜瓦瓶中水之間有良好的熱傳遞 缺點(diǎn): AD590的靈敏度可能不是嚴(yán)格的1 μA/ ℃,使溫度計(jì)誤差增大 升溫測量中,溫度不好控制

由于條件限制,溫度計(jì)只能從室溫開始測溫 溫度計(jì)表頭分度值為5 ℃,靈敏度比較小

溫差溫度計(jì)的升溫測量的間隔溫度為5 ℃,靈敏度比較小

第四篇：2011基于18B20溫度傳感器論文

基于單片機(jī)18B20的溫度計(jì)設(shè)計(jì)

摘要：文章主要介紹有關(guān)18B20溫度傳感器的應(yīng)用及有關(guān)注意事項(xiàng)，經(jīng)典接線原理圖。1.引言：

溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得DS18B20更受歡迎。對于我們普通的電子愛好者來說，DS18B20的優(yōu)勢更是我們學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)和開發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。了解其工作原理和應(yīng)用可以拓寬您對單片機(jī)開發(fā)的思路。

2.DS18B20的主要特征： ? * 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。? * 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。? * 最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度。? * 12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。? * 可選擇寄生工作方式。? * 檢測溫度范圍為–55°C ~+125°C(–67°F ~+257°F)? * 內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。? * 64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機(jī)掛接。? * 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。3.DS18B20引腳功能：

?GND 電壓地 ?DQ 單數(shù)據(jù)總線 ?VDD 電源電壓

4.DS18B20工作原理及應(yīng)用：

DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內(nèi)部存儲器資源。18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：

ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。

5.控制器對18B20操作流程：

1、復(fù)位：首先我們必須對DS18B20芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號。當(dāng)18B20接到此復(fù)位信號后則會在15~60uS后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。

2、存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60~240uS的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18B20間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時要注意意外情況的處理。

3、控制器發(fā)送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了，ROM指令共有5條，每一個工作周期只能發(fā)一條，ROM指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)、指

定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。ROM指令為8位長度，功能是對片內(nèi)的64位光刻ROM進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨(dú)有的ID號來區(qū)別，一般只掛接單個18B20芯片時可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發(fā)送ROM指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。ROM指令在下文有詳細(xì)的介紹。

4、控制器發(fā)送存儲器操作指令：在ROM指令發(fā)送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲器操作指令分別是寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將RAM數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM中的報(bào)警值復(fù)制到RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。

5、執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機(jī)）必須等待18B20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴(yán)格遵循18B20的讀寫時序來操作。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細(xì)介紹。6.DS28B20芯片ROM指令表

Read ROM（讀ROM）[33H]（方括號中的為16進(jìn)制的命令字）Match ROM（指定匹配芯片）[55H] Skip ROM（跳躍ROM指令）[CCH] Search ROM（搜索芯片）[F0H] Alarm Search（報(bào)警芯片搜索）[ECH] 7.DS28B20芯片存儲器操作指令表：

Write Scratchpad（向RAM中寫數(shù)據(jù)）[4EH] Read Scratchpad（從RAM中讀數(shù)據(jù)）[BEH] Copy Scratchpad（將RAM數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM中）[48H] Convert T（溫度轉(zhuǎn)換）[44H] Recall EEPROM（將EEPROM中的報(bào)警值復(fù)制到RAM）[B8H] Read Power Supply（工作方式切換）[B4H] 8.寫程序注意事項(xiàng)

DS18B20復(fù)位及應(yīng)答關(guān)系

每一次通信之前必須進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位的時間、等待時間、回應(yīng)時間應(yīng)嚴(yán)格按時序編程。

DS18B20讀寫時間隙：

DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認(rèn)信息交換的。寫時間隙：

寫時間隙分為寫“0”和寫“1”，時序如圖7。在寫數(shù)據(jù)時間隙的前15uS總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間，采樣時間在15~60uS，采樣時間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫“1”，如果控制器將總線拉低則表示寫“0”。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個至少15uS的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“0”或“1”應(yīng)該在45uS內(nèi)完成。整個位的發(fā)送時間應(yīng)該保持在60~120uS，否則不能保證通信的正常。讀時間隙：

讀時間隙時控制時的采樣時間應(yīng)該更加的精確才行，讀時間隙時也是必須先由主機(jī)產(chǎn)生至少1uS的低電平，表示讀時間的起始。隨后在總線被釋放后的15uS

中DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位，這時控制如果發(fā)現(xiàn)總線為高電平表示讀出“1”，如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)“0”。每一位的讀取之前都由控制器加一個起始信號。注意：必須在讀間隙開始的15uS內(nèi)讀取數(shù)據(jù)位才可以保證通信的正確。在通信時是以8位“0”或“1”為一個字節(jié)，字節(jié)的讀或?qū)懯菑母呶婚_始的，即A7到A0.字節(jié)的讀寫順序也是如圖2自上而下的。

9.接線原理圖：

本原理圖采用四位數(shù)碼管顯示，低于100度時，首位不顯示示例27.5，低于10度時示例為9.0，低于零度時示例為-3.7。

結(jié)束語：基于DS18B20溫度測量溫度準(zhǔn)確，接線簡單，易于控制，加以擴(kuò)展可以應(yīng)用到各種溫度控制和監(jiān)控場合。

參考文獻(xiàn)：

DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器文獻(xiàn)

程序：

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int

sbit sda=P1^7;sbit dian=P0^7;//小數(shù)點(diǎn)顯示 uint tem;

uchar h;uchar code tabw[4]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};//位選 uchar code tabs[12]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};//數(shù)碼管數(shù)據(jù)

//

0 5 6 9

空

-uchar code ditab[16]= {0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09};//查表顯示小數(shù)位，1/16=0.0625,即當(dāng)讀出數(shù)據(jù)為3時，3*0.0625=0.1875，讀出數(shù)據(jù)為3時對應(yīng)1，查表顯示1，為4時顯2 uchar data temp[2]={0};//高位數(shù)據(jù)與低位數(shù)據(jù)暫存 uchar data display[5]={0};//顯示緩存

void delay(uchar t)//t為1時延時小于5us { while(t--);} void delay1()//4us {} void delays(uchar m)//1ms { uchar i,j;for(i=0;i

for(j=0;j<110;j++);} void reset()//初始化 { uchar x=1;while(x){

while(x)

{

sda=1;

sda=0;

delay(50);//延時500us以上

sda=1;

delay(5);//等待15us-60us

x=sda;

}

delay(45);

x=~sda;}

sda=1;} void write_s(uchar temp)//寫入一個字節(jié) { uchar i;for(i=0;i<8;i++){

sda=1;

sda=0;

delay1();

sda=temp&0x01;

delay(6);

temp=temp/2;} sda=1;delay(1);} uchar read_s()//讀出一個字節(jié)的數(shù)據(jù) { uchar m=0,i;for(i=0;i<8;i++){

sda=1;

m>>=1;

sda=0;

delay1();

sda=1;

delay1();

if(sda)

m=m|0x80;

delay(6);} sda=1;return m;} uint read_1820()//讀出溫度 { reset();delay(200);write_s(0xcc);//發(fā)送命令

write_s(0x44);//發(fā)送轉(zhuǎn)換命令

reset();delay(1);write_s(0xcc);

write_s(0xbe);temp[0]=read_s();temp[1]=read_s();tem=temp[1];tem<<=8;tem|=temp[0];return tem;} void scan_led()//數(shù)據(jù)顯示—數(shù)碼管 { uchar i;for(i=0;i<4;i++){

P0=tabs[display[i]];

P1=tabw[i];

delays(7);

if(i==1)

dian=0;

P1=tabw[i];

delays(2);} } void convert_t(uint tem)//溫度轉(zhuǎn)換{ uchar n=0;if(tem>6348){

tem=65536-tem;

n=1;} display[4]=tem&0x0f;display[0]=ditab[display[4]];

display[4]=tem>>4;

display[3]=display[4]/100;

display[1]=display[4]%100;

display[2]=display[1]/10;

display[1]=display[1]%10;if(!display[3]){

display[3]=0x0a;} if(!display[2])

display[2]=0x0a;if(n)

// 取百位數(shù)據(jù)暫存

// 取后兩位數(shù)據(jù)暫存// 取十位數(shù)據(jù)暫存

{

n=0;

display[3]=0x0b;} } void main(){ delay(0);delay(0);delay(0);P0=0xff;P1=0xff;for(h=0;h<4;h++)//初始化為零

{

display[h]=0;} reset();write_s(0xcc);write_s(0x44);for(h=0;h<100;h++)//顯示0保持

scan_led();while(1){

convert_t(read_1820());//讀出并處理

scan_led();//顯示溫度

} }

第五篇：光纖溫度傳感器 畢業(yè)論文

摘 要

本文從光纖和光纖傳感器以及光纖溫度傳感器的發(fā)展歷程開始詳細(xì)分析國內(nèi)外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點(diǎn)，比較了不同方法的溫度測量范圍和性能指標(biāo)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過研究發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前的光纖溫度傳感器的種類和特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了光纖溫度傳感器的原理，種類和各自的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。可以根據(jù)這些傳感器各自特點(diǎn)將各種傳感器應(yīng)用到不同的領(lǐng)域，本文也簡要分析了各種光纖溫度傳感器的運(yùn)用范圍和領(lǐng)域。

本文還通過圖文并茂的方式比較詳細(xì)地分析了介紹了空調(diào)器的基本結(jié)構(gòu)，工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程。

本文對畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和擬采用的研究方案也做出了詳細(xì)地介紹分析。

關(guān)鍵詞：光纖，光纖傳感器，光纖溫度傳感器，運(yùn)用領(lǐng)域，空調(diào)器，空調(diào)器原理

Abstract 引言：

光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器．它具有抗電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、防爆防燃、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其中幾種主要的光纖溫度傳感器：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器更有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠;頻帶寬，動態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖遙測技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠(yuǎn)程控制、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下測溫有著廣闊的應(yīng)用前景。

在本論文中將詳細(xì)分析當(dāng)前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。論文要求：

（1）詳細(xì)分析國內(nèi)外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點(diǎn)，比較不同方法的溫度測量范圍和性能指標(biāo)。

（2）掌握空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程。畢業(yè)論文綜述：

70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。1977年，美國海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。從70年代中期到80年代中期近十年的時間，光纖傳感器己達(dá)近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費(fèi)部門都得到實(shí)際應(yīng)用。從目前的情況看，己有一些形成產(chǎn)品投入市場，但大量的是處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境 下安全可靠;頻帶寬，動態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖 遙測技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制;體積小，重量輕等。

目前，世界各國都對光纖傳感器展開了廣泛，深入的研究，幾個研究工作開展早的國家情況如下:美國對光纖傳感器研究共有六個方面:這些項(xiàng)目分別是:光纖傳感系統(tǒng);現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng);光纖陀螺;核輻射監(jiān)控;飛機(jī)發(fā)動機(jī)監(jiān)控;民用研究計(jì)劃。以上計(jì)劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國從事光纖傳感器研究的有美國海軍研究所、美國宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學(xué)等28個主要單位。美國光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請了專利。

英國政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術(shù)，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協(xié)會，到1985年為止，共有26個成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國化學(xué)工業(yè)公司、英國煤氣公司、1 Taylor儀器公司、標(biāo)準(zhǔn)電信研究所及幾所主要大學(xué)。

德國的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國居世界第二位，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

日本制定了1979-1986年“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”的七年規(guī)劃，投資達(dá)70億美金。有松下、三菱、東京大學(xué)等24家著名的公司和大學(xué)從事光纖傳感器研究。從1980年7月到1983年6月，申請光纖傳感器的專利464件，涉及11個領(lǐng)域。主要應(yīng)用于大型工廠，以解決強(qiáng)電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環(huán)境中信息測量、傳輸和生產(chǎn)全過程的控制問題。

我國光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規(guī)劃中提出15 項(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目，其中有光纖放射線探測儀、光纖溫度傳感器及溫度測量系統(tǒng)、光纖陀螺、光纖磁場傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、分析用 傳感器、集成光學(xué)傳感器等。預(yù)計(jì)“七五”期間的研制成果可達(dá)到美、日等國 80年代初、中期水平。

半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機(jī)中心實(shí)驗(yàn)室，首次研制成功采用GaA、和Care半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對半導(dǎo)體材料認(rèn)識的不斷深入，以及半導(dǎo)體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對采用半導(dǎo)體材料來制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，出現(xiàn)了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee 大學(xué)R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學(xué)氣象淀積)技術(shù)，在光纖端面上淀積多 晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結(jié)構(gòu)，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實(shí)用化。

國內(nèi)對半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。主要集中在清華大學(xué)，華中理工大學(xué)，東南大學(xué)等高校。他們對該種類型的傳感 器結(jié)構(gòu)，特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)踐。但大量的研究只集中在GaAs半導(dǎo)體作為感溫材料的傳感器上，與國外在該領(lǐng)域的研究水平仍有較大差別。光纖溫度傳感器的特點(diǎn)：

光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測器件接收．可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換．易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配．光纖工作頻率寬．動態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電．體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。國外一些發(fā)達(dá)國家對光纖溫度傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統(tǒng)已實(shí)用化．成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。所有與溫度相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象或特性．本質(zhì)上都可以用于溫度測量．基于此．用于溫度測量的現(xiàn)有光學(xué) 技術(shù)相當(dāng)豐富。對于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20％。光纖溫度傳感器的研究．除對現(xiàn)有器件進(jìn)行外場驗(yàn)證、完善和提高外，目前有以下幾個發(fā)展動向：大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術(shù)．即由對單個點(diǎn)的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布．以及大面積表面溫度分布的測量：開發(fā)包括測量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實(shí)現(xiàn)全光學(xué)遙測。光纖測溫傳感器是用光纖來測量溫度的。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)。一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)；利用光纖將輻射能量傳輸?shù)綗崦粼希?jīng)

過轉(zhuǎn)換再變成可供紀(jì)錄和顯示的電信號。這種方法獨(dú)特之處就是可以遠(yuǎn)距離測量；另外一種方法是利用光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳輸?shù)南辔浑S溫度參數(shù)的改變而改變的特點(diǎn)，光信號的相位隨溫度的變化是由于光纖材料的尺寸和折射率都隨溫度改變而引起的。光纖傳感器的基本原理

在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=

式中，、頻是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個參數(shù)，即強(qiáng)度率w、波長、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調(diào)制的光信號進(jìn)行檢測，從而得到被測量。當(dāng)被測物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時，就相應(yīng)的稱為波長、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。

5.1強(qiáng)度調(diào)制

5.1.1 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理

光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變化，來實(shí)現(xiàn)對被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的變化。由光電探測器檢測出發(fā)光強(qiáng)度的信號，經(jīng)信號處理解調(diào)就得到了被測信號。

5.1.2 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式 利用光纖微彎效應(yīng)；

利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制； 通過與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制； 在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；

利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測物理量引起接收光纖位移時，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。

5.1.3 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器分類

根據(jù)其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器的特點(diǎn) 解調(diào)方法簡單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價低。缺點(diǎn)是測量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施。

5.2相位調(diào)制 光纖傳感器的基本原理

通過被測量的作用，使光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-澤得和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。

5.3 波長調(diào)制光纖傳感器的基本原理

波長調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-41。光纖溫度傳感器

6.1幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀

光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點(diǎn)．但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸?shù)淖饔茫员荛_測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境．對待測對象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題．增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對機(jī)械振動之類的干擾較敏感．下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀。

6.1.1分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國南安普敦大學(xué)提出的．1983年英國的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn)．1985年英國的Dakin在實(shí)驗(yàn)

室用氬離子激光器作為光源進(jìn)行了用石英光纖的拉曼光譜效應(yīng)的分布光纖溫度傳感器測溫實(shí)驗(yàn)．同年Hartog和Dakin分別獨(dú)立地用半導(dǎo)體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發(fā)展．研究出了多種傳感機(jī)理．有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時域散射fOTDRl的瑞利散射系統(tǒng)開始．經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)．使得測溫精度和范圍大幅提高。光頻域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入．使OFDR和它們結(jié)合才顯示出了它的優(yōu)越性。基于0TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性．所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點(diǎn)．尤其是基于OFDR的新的分布式光纖傳感器將是一個重要的發(fā)展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、溫度分辨率為1℃、空間分辨率為1．22m的分布式光纖溫度傳感器。在國內(nèi)，中國計(jì)量學(xué)院、重慶大學(xué)、浙江大學(xué)等單位根據(jù)應(yīng)用的需要．先后開展了分布式光纖溫度傳感器的研究。中國計(jì)量學(xué)院1997年研制了一種用于煤礦、隧道溫度自動報(bào)警的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)光纖長為2km．測溫范圍為一50℃～150℃．測溫精度為2℃．溫度分辨率為O．1℃：2005年設(shè)計(jì)制造出31km遠(yuǎn)程分布式光纖溫度傳感器．測溫范圍0℃～100℃，溫度測量不確定度為2℃．溫度分辨率為0．1℃，測量時間為432s．空間分辨率為4m。6.1.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感技術(shù)主要研究Bmgg光纖傳感技術(shù)。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長會隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年．加拿大渥太華通信研究中心的K．O．HiU等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報(bào)導(dǎo)將其用于傳感。英國T．A1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O．9℃、曲率分辨率為0．05的長周期光纖光柵曲率溫度傳感器。意大利A．Iadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時測量折射率和溫度．該傳感器的溫度分辨率為0．1℃．在折射率1．

45、1．33附近的折射率分辨率分別為10-s、104。中科院上海光機(jī)所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業(yè)大學(xué)把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達(dá)到0．04℃：黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的Ti合金片封裝工藝，使溫度靈敏度達(dá)到0．05℃。6.1.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象．就是當(dāng)材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā)．所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對應(yīng)關(guān)系．通過檢測其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強(qiáng)度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強(qiáng)度擾動，很難達(dá)到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn)，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發(fā)時發(fā)熒光．熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減小．該傳感器可監(jiān)測20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。日本東洋大學(xué)根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光(PL)譜與溫度有關(guān)．將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm時的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減小．Tb：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)lOcm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強(qiáng)度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數(shù)關(guān)系．這種雙摻雜系統(tǒng)對于測量苛刻環(huán)境的溫度非常有用。清華大學(xué)電子工程系利用半導(dǎo)體GaAs材料對光的吸收隨溫度變化的原理。研制出測溫范圍：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纖溫度傳感器。燕山大學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用熒光波分和時分多路傳輸技術(shù)．通過檢測紅寶石晶體的熒光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)溫度測量的系統(tǒng)．該系統(tǒng)的測溫范圍：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大學(xué)用激光加熱基座法生長出端部摻Cr的藍(lán)寶石熒光光纖傳感頭．該傳感器的測溫范圍：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大學(xué)用一種鍍有陶瓷薄膜的藍(lán)寶石光纖作為傳感器的瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)．該系統(tǒng)的測溫范圍：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。6.1.4 干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。英國的Samer K．Abi Kaed Bev用長周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。燕山大學(xué)研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纖溫度傳感器．其測溫范圍為一40℃～100℃．分辨率為0．01℃。哈爾濱工程大學(xué)研制出數(shù)字式Mach—Zehnder干涉型光纖傳感器．其測溫范圍為35cC～80℃，壓力、溫度、位移分辨率分別為0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。

干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖

6.1.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變化的原理測量溫度。烏克蘭采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生產(chǎn)的多模階躍塑料包層硅纖芯光纖HCN～H，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器．其測溫范圍一30℃～70℃．靈敏度達(dá)到O．5℃。法國研究出測溫范圍一20℃～60℃。靈敏度為0。2℃的基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器。國內(nèi)主要是對光纖的彎曲損耗與入射波長、彎曲半徑、彎曲角度、彎曲長度、光纖參量和溫度等的關(guān)系做了一些研究。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點(diǎn)及各自的研究方向

分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的不足，因此它們的研究方向不同。6.2.1 分布式光纖溫傳感器

分布式光纖溫傳感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度．測量距離在幾千米范圍．空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級。能夠進(jìn)行不問斷的自動測量．特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測量的直用場合。目前對分布式光纖溫度傳感器研究的重點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)單根光纖上多個物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)的同時測量：提高信號接收和處理系統(tǒng)的檢測能力．提高系統(tǒng)的空間分辨率和測量不確定度：提高測量系統(tǒng)的測量范圍．減少測量時間：基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。6.2.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外．還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號為波長調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響：避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點(diǎn)的需要：能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個布喇格光柵進(jìn)行分布式測量：很容易埋人材料中對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)．但在應(yīng)用中還需考慮很多因素：波長微小位移的檢測；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測器波長分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。6.2.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器于其它光纖溫度傳感器相比有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于熒光壽命與溫度的關(guān)系從本質(zhì)上講是內(nèi)在的．與光的強(qiáng)度無關(guān)．這樣就可以制成自較準(zhǔn)的光纖溫度傳感器．而一般的基于光強(qiáng)度檢測的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因?yàn)橄到y(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關(guān)而需經(jīng)常校準(zhǔn)：測量范圍廣，特別在高溫情況下多用光纖熒光溫度傳感器。目前國外的研究主要圍繞著熒光源的選擇．主要為下面幾個方面：藍(lán)寶石和紅寶石發(fā)光、稀土發(fā)光及半導(dǎo)體吸收。

6.2.4 干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動態(tài)響應(yīng)寬：結(jié)構(gòu)靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號解調(diào)上。6.2.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、測量方便不需要解調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但是它還存在著很多的不足：測量精度低；由于它是強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，光源的穩(wěn)定性對其影響很大；使用壽命短等缺點(diǎn)。在今后的研究中主要從光纖的選擇、測量條件的提高等方面開展工作。光纖溫度傳感器的應(yīng)用

光纖溫度傳感自問世以來．主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領(lǐng)域，并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績。7.1.1 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用 電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控；高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測；發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓器、電動機(jī)的溫度分布測量、熱動保護(hù)以及故障診斷；火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管

道的溫度和故障點(diǎn)檢測：地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測等等。7.1.2 光纖溫度傳感應(yīng)用于建筑、橋梁上

光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量．因而被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達(dá)國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究．并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。用來監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、溫度、加速度、位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)。1999年夏，美國新墨西哥Las Cmces lO號州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了120個光纖光柵溫度傳感器．創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。

7.1.3 光纖溫度傳感在航空航天業(yè)的應(yīng)用

航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方．一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過100個．因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)來講．幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。7.1.4 傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的 光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測量。提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的崗廠陰，等：光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)州損害非常小．足以避免對正常醫(yī)療過程的干擾。7.1.5 光纖光柵傳感器永久井下測量的應(yīng)用

因其抗電磁干擾、耐高溫、長期穩(wěn)定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感．挪威的Optoplan正在開發(fā)用于永久井下測量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程

8.1 空調(diào)器基本結(jié)構(gòu)

是由制冷（熱)、空氣循環(huán)、電氣控制三大系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng): 用于制冷劑循環(huán)及氣/ 液態(tài)變換。制冷劑系統(tǒng)的工作與否受控于電氣系統(tǒng)。空氣循環(huán)系統(tǒng): 用于驅(qū)動空氣進(jìn)行循環(huán)，過濾室內(nèi)空氣，以及對制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器、冷凝器提供空氣熱交換條件，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度等。電氣控制系統(tǒng): 用于控制冷系統(tǒng)與空氣循環(huán)系統(tǒng)的工作與否。

8.1.1 制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由壓縮機(jī)、冷凝器、過濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器等首尾連接組成。其中，制冷劑的循環(huán)流通由壓縮機(jī)負(fù)責(zé)，制冷劑氣態(tài)轉(zhuǎn)換由蒸發(fā)器負(fù)責(zé)，制冷劑液態(tài)轉(zhuǎn)換由冷凝器負(fù)責(zé)，制冷劑壓力變換由壓縮機(jī)和毛細(xì)管負(fù)責(zé)，過濾器負(fù)責(zé)濾除制冷劑中微量臟物。對于制冷而言，其工

作過程以圖1 所示窗式空調(diào)器為例說明如下：當(dāng)接通電源后，壓縮機(jī)及風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑，通過管路被壓縮機(jī)吸入，并壓縮為高壓、高溫氣態(tài)，再經(jīng)過排氣管排入冷凝器對室外空氣放熱自身降溫變成液態(tài)。液態(tài)制冷劑經(jīng)過濾器、毛細(xì)管節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，由蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣態(tài)，并在蒸發(fā)過程中自身吸熱對室內(nèi)空氣降溫，冷卻后的空氣由離心風(fēng)扇吹向室內(nèi)，室內(nèi)的空氣又由風(fēng)扇的吸氣端吸回。這樣，空氣不斷循環(huán)，周而復(fù)始，室內(nèi)的空氣就得到了降溫并維持在一定溫度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)制冷目的。

8.1.2 制熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程制熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

對于制熱而言，其工作過程可用圖2 所示的冷暖空調(diào)制冷（熱）系統(tǒng)來說明。它是

在單冷空調(diào)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了單換閥和輔助毛細(xì)管。制熱時除制冷劑走向（箭頭）與制冷時相反外，且室外側(cè)熱交換器作蒸發(fā)器用于吸熱，室內(nèi)側(cè)熱交換器作為冷凝器用于放熱。

8.1.3 制冷（熱）系統(tǒng)各器件的功能與作用 現(xiàn)說明如下：

(1)壓縮機(jī): 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生吸排氣功能，并由低壓管口（粗）吸氣、高壓管口（細(xì)）排氣，推動制冷劑在制冷管路中循環(huán)流通。同時對低壓管吸入的制冷劑進(jìn)行壓縮變?yōu)楦邏焊邷睾笥筛邏汗芸谂懦觥?/p>

(2)冷凝器: 對壓縮機(jī)排出的高壓、高溫氣態(tài)進(jìn)行制冷，在流經(jīng)冷凝器的過程中，逐步散熱降溫而冷凝為液態(tài)／中溫／高壓制冷劑，實(shí)現(xiàn)制冷劑從氣態(tài)到 液態(tài)的轉(zhuǎn)換，以把制冷劑攜帶的熱量散發(fā)到空氣中，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。

(3)毛細(xì)管;是一根直徑4 mm、長l m左右的細(xì)銅管，接于過濾器（或冷暖機(jī)單向閥）與蒸發(fā)器之間，對冷凝器流出的中溫高壓液態(tài)制冷劑進(jìn)行節(jié)流降壓，使蒸發(fā)器中形成低壓環(huán)境。

(4)過濾器: 濾除制冷劑中微量臟物，保證制冷劑在制冷管路中的循環(huán)流通。(5)蒸發(fā)器: 經(jīng)毛細(xì)管降壓節(jié)流輸出的制冷劑，在流經(jīng)經(jīng)蒸發(fā)器管路過程中逐步沸騰蒸發(fā)為氣體，并在蒸發(fā)過程吸收外界空氣的熱量，使周圍空氣降溫。

8.2 空氣循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程

圖3 是窗機(jī)空氣循環(huán)系統(tǒng)示意圖。它由室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)空氣循環(huán)兩部位組成。兩者的核心器件均是多繞組風(fēng)扇電機(jī)。風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速受控于功能開關(guān)（又稱主令開關(guān)），風(fēng)速設(shè)置不同，功能開關(guān)對風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速繞組抽頭供電不同，調(diào)速繞組線圈匝數(shù)不同，它與運(yùn)轉(zhuǎn)繞組串聯(lián)后的匝數(shù)不同，從而使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不同。

8.3 電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程

電氣控制系統(tǒng)的核心器件是壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，如圖4 所示。這兩個器件的CR 運(yùn)行繞組在得到交流220 V 電源后，CS 啟動繞組瞬間有啟動電流流過就開始運(yùn)轉(zhuǎn)，把電能變換為機(jī)械能。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能帶動制冷系統(tǒng)工作以實(shí)施制冷（熱）；風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能，帶動扇葉旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)。

(1)壓縮機(jī)工作控制

這里，以圖4(a)所示的窗機(jī)置于高冷狀態(tài)為例說明。由圖可見，這時功能開關(guān)1 端

分別與4 端、8 端接通，對壓縮機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)提供供電回路。其中壓縮機(jī)供電回路如下：交流220 V 電源插頭L 端→功能開關(guān)1端、8 端→溫控器開關(guān)的C 端、L 端→F1 過載保護(hù)器的1 端、2 端→壓縮機(jī)的C 端。此時分為兩路：一路經(jīng)R 端→C 啟動電容的1 端（運(yùn)轉(zhuǎn)電流）；另一路徑S 端子→C 啟動電容2 端、1 端（啟

動電流），最后至電源插頭的N 端。這樣，在壓縮機(jī)接通電源后，就啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)開始制冷。當(dāng)制冷達(dá)到設(shè)置溫度時，溫控器斷開壓縮機(jī)供電電路，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，終止制冷。當(dāng)室內(nèi)溫度上升到高于設(shè)置溫度時，溫控器再次自動接通壓縮機(jī)供給回路，壓縮機(jī)再次運(yùn)轉(zhuǎn)制冷，以后重復(fù)上述過程。至于過載保護(hù)器，它緊貼在壓縮機(jī)外殼上以感知壓縮機(jī)溫度。在壓縮機(jī)啟動或運(yùn)轉(zhuǎn)中，電流過大或壓縮機(jī)過熱時過載保護(hù)器會呈現(xiàn)高阻（相當(dāng)于斷開），從而切斷壓縮機(jī)供電回路，達(dá)到保護(hù)壓縮機(jī)的目的。畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和擬采用的研究方案

9.1 光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)

根據(jù)光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。9.1.1 溫度敏感頭

溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測量溫度轉(zhuǎn)換成直接能夠測量的參數(shù)，在這里，是轉(zhuǎn)換成光纖的損耗大小，同等狀態(tài)下，損耗大，探測器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。傳感頭主要由多模光纖與金屬構(gòu)件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構(gòu)件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護(hù)措施，傳感頭主要工序就已經(jīng)完成了。金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在 13 零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變越大，在光源輸出光功率穩(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時，探測器接收到的光功率就會減小，反之，接收到的光功率增大。當(dāng)傳感頭處的溫度場發(fā)生變化時，通過探測器將接收到的不同光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)一步處理、計(jì)算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線膨脹系數(shù)α、環(huán)境溫度t 有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子(取決于幾何參數(shù))有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計(jì)算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—溫度t 時的尺寸；L—20℃時的尺寸；α—線膨脹系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較復(fù)雜，可選用平均線膨脹系數(shù)，經(jīng)過查表可知。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個溫度測量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復(fù)性；溫度敏感頭的結(jié)構(gòu)形狀也是要考慮的另一個因素，不同的形狀，對靈敏度影響很大。要提高傳感頭對溫度的響應(yīng)時間，需要選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時，能快速響應(yīng)。經(jīng)過課題組反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)，選用成本較低、加工容易、導(dǎo)熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁。通過試驗(yàn)，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內(nèi)均可精確工作。9.1.2 傳輸部分

光纖在這里不僅要作為轉(zhuǎn)換器件使用，同時也作為光信號傳輸載體，選用對彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/125μm 標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖。由于加載光纖時要施加一定的張力控制，使得光纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長時間受到一定內(nèi)應(yīng)力作用，必須對光纖的涂層進(jìn)行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。9.1.3 信號處理部分信號處理部分

主要由發(fā)光管、探測器的驅(qū)動電路與數(shù)字電路處理兩部分組成，發(fā)光管、探測器的驅(qū)動電路技術(shù)已經(jīng)非常成熟。數(shù)字電路處理主要使用價廉物美的單片機(jī)，CPU使用美國ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機(jī)，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大。A/D 轉(zhuǎn)換采用AD 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉(zhuǎn)換時間位25μs，數(shù)字位數(shù)可設(shè)定為12 位，也可設(shè)為8 位，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機(jī)直接接口。為了方便在現(xiàn)場使用，光纖溫度傳感器擴(kuò)展了LCD 顯示接口，同時還擴(kuò)展了一個RS-232 通信口，用于同上位機(jī)進(jìn)行通信，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)一步分析處理。整個監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D 采樣周期設(shè)定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，中斷保護(hù)與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機(jī)匯編語言來編寫，使用廣泛、運(yùn)算的速度快等特點(diǎn)，有效的利用單片機(jī)上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強(qiáng)的變化不是線性的，因此我們采用查表法對其測量值進(jìn)行線性補(bǔ)償。

9.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過試驗(yàn)測試。第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩(wěn)定的短波長的光源，另一端接

相匹配的光功率計(jì)，將溫度敏感頭置入恒溫槽中； 第二步，設(shè)置恒溫槽溫度，觀察光功率計(jì)值的變化情況，要滿足在測量的整個工作區(qū)間光功率都有變化；

第三步，定點(diǎn)測量，設(shè)定幾個或更多溫度點(diǎn)，記錄下，溫度與光功率對應(yīng)值，反復(fù)多次試驗(yàn)，觀察溫度敏感頭的重復(fù)性。光纖溫度傳感頭通過試驗(yàn)測試，將溫度與光功率相對應(yīng)數(shù)據(jù)制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。

通過上述試驗(yàn)表明，傳感頭滿足使用要求，重復(fù)性非常好，加載發(fā)光管與探測器驅(qū)動電路以及信號處理電路，整體調(diào)試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關(guān)系，重復(fù)操作上述試驗(yàn)第二、第三步，具體的溫度與電壓相對應(yīng)值見表2，曲線圖見圖5。

通過觀察上述兩個曲線，形狀基本一致，重復(fù)性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個特殊點(diǎn)電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實(shí)測檢驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設(shè)計(jì)是成功的，傳感器整體測試精度較高。

9.3 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)原理如圖1 所示,采用可見光將光束直接射入2根經(jīng)端面處理且并排放置的光纖中,同時為使2 根光纖輸出的光強(qiáng)近似相等且最大,采用2 個不同焦距的透鏡來增強(qiáng)光的耦合程度。根據(jù)馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發(fā)生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并 在監(jiān)視器上觀測溫度變化時條紋的變化規(guī)律。一方面通過溫度標(biāo)定得到溫度與條紋數(shù)的對應(yīng)關(guān)系, 另一方面使用MATLAB 對采集到的干涉圖像進(jìn)行處理,通過程序自動判別條紋數(shù)。從而得到溫度的變化值,實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測量。

馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置

9.3.1 實(shí)現(xiàn)方法與現(xiàn)象(1)平臺的搭建

為了得到較好的效果,實(shí)現(xiàn)中應(yīng)注意以下問題: ①耦合問題:在光纖傳感系統(tǒng)中,各部件采用耦合效率較高的凸透鏡耦合,如圖2 所示。將激光器放在凸透鏡的焦點(diǎn)上,使其為平行光,然后再用另一個凸透鏡將平行光聚集到光纖端面上。整個耦合系統(tǒng)調(diào)整組裝較容易,使用方便。

圖2 光路耦合示意圖

②光路準(zhǔn)直:搭建實(shí)驗(yàn)平臺時要注意使整個光路平行于平臺,這就需要利用光屏十字法來校準(zhǔn)光路。首先確定激光束與實(shí)驗(yàn)平臺平行;其次在光路上分別加上透鏡,調(diào)整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。并且依據(jù)透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點(diǎn)上。如 圖3 所示。

圖3 光路準(zhǔn)直示意圖

(2)產(chǎn)生的現(xiàn)象

根據(jù)前面論述的方案,通過光路調(diào)整等一系列過程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過使光纖的感溫部分受熱,可以在監(jiān)視器上觀察到條紋的變化。當(dāng)溫度升高時,條紋幾近勻速地向右移動;當(dāng)溫度降低時,條紋向相反的方向移動。這樣的變化較為規(guī)律,但是對于溫度檢測電路來說,要求溫度變化可測,從而得到定量的關(guān)系;對于圖像檢測而言,條紋要盡量清晰,明暗對比強(qiáng)烈,才能在圖像處理時減少不必

要的誤差。

圖4 干涉條紋圖像

9.3.2 信號檢測及處理 1 溫度標(biāo)定

(1)方案: 為使感溫部分的光纖均勻受熱,選擇2 個5 cm的薄銅片將光纖夾入其中。使用電烙鐵為其加熱,使其溫度變化范圍加大,條紋移動明顯。對于其他不感溫光纖,將其固定在絕熱平臺上,減小熱源的影響。

(2)電路設(shè)計(jì):本文使用熱敏電阻標(biāo)定溫度與干涉條紋數(shù)之間關(guān)系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,即其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)進(jìn)行溫度測量時,應(yīng)考慮將其進(jìn)行線性化處理。測溫電路如圖5 所示。

圖5 測溫電路

本系統(tǒng)中所用的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)。其特性可

以表示為:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分別為溫度T 和T0 時的電阻值。根據(jù)式(1)以及壓阻變換關(guān)系可以得到下面這個最終的根據(jù)電壓的變化從而測得溫度變化的表達(dá)式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)數(shù)據(jù)處理

在測量過程中,為找到合適的電壓測量點(diǎn),選擇時間為參考因素,以60 s 為一個階段,測量一次熱敏電阻兩端電壓,記錄電壓值,并根據(jù)公式得對應(yīng)的溫度,求得Δt。同時記錄在這些點(diǎn)間的條紋移動數(shù)量,記為Δn。根據(jù)Δt 和Δn 可得到溫度與條紋之間的函數(shù)關(guān)系。(4)結(jié)果分析

設(shè)條紋變化數(shù)為Δy ,溫度變化數(shù)為Δx ,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到這樣一個近似線性的函數(shù)關(guān)系式:Δy = 8.30Δx。即溫度升高1 ℃,條紋移動8.30 個。如果標(biāo)定起始溫度,根據(jù)這一關(guān)系,即可得到變化后的溫度值。9.3.3 干涉條紋圖像采集與處理

采用MVPCI 專業(yè)圖像采集卡采集干涉條紋圖像,采集程序如圖6 所示。并對圖像做如下處理(見圖7): 對CCD 采集下來的圖像(見7(a))需調(diào)用imfilter 函數(shù)進(jìn)行圖像濾波(濾波結(jié)果見圖7(b))。并使用閾值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像(見圖7(c)),從而很好地將對象從背景中分離出來。通常溫度的判斷基于處理后的條紋圖像,因此需采用邊緣檢測來提取圖像的特征。在MATLAB 中使用專門的邊緣檢測edge 函數(shù),調(diào)用Sobel 算子進(jìn)行檢測。結(jié)果如圖7(d)所示。

采集流程圖

圖7 干涉條紋圖像采集與處理

9.3.4 條紋記數(shù)程序設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)思路:根據(jù)邊緣檢測后條紋的圖像質(zhì)量,提取圖像質(zhì)量較好的橫坐標(biāo)為80 的一行元素的像素值,對其進(jìn)行掃描,得到像素值為1 的位置,即條紋邊緣的位置;由于邊緣提取得到的條紋是原來?xiàng)l紋的輪廓,所以2 個邊緣構(gòu)成一個亮或暗條紋。因此需要將提取出來的邊緣位置與原圖像進(jìn)行對比,從而對條紋精確定位;判定離標(biāo)定位置最近的亮條紋的分布情況,找到條紋移動規(guī)律;計(jì)算條紋移動周期,借鑒光學(xué)測量中的相位展開原理,將圖像變換為近似線性的曲線,從而得到條紋移動過總的像素值,除以周期,即得條紋移動個數(shù)。程序模塊流程圖如圖8 所示。

(2)結(jié)果分析：通過上面的程序計(jì)算,得到距離標(biāo)志位32 最近的亮條紋位置R 的變化情況(見圖9)。可看出, R 的值是有規(guī)律地在變化,表明R 存在周期性。通過程序中得到的r(條紋邊緣像素)計(jì)算周期,即T = 22。根據(jù)相位展開的相關(guān)原

圖8 條紋記數(shù)程序流程圖

理,把像素值小于32 ,且與其前相鄰一個像素的差大于某一值時,將其加上一個周期,轉(zhuǎn)換為類似線性的函數(shù),如圖10 所示。由圖(10)可以得到移動條紋總的像素值M = 820 ,除以展開周期T = 22 , 即可以判別移動條紋個數(shù)N =M/ T = 37。由于確定的判別像素間距,程序在條紋小范圍左右徘徊的狀態(tài)時難以判別,會產(chǎn)生誤差。因此,程序計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與前面測溫時數(shù)出來的條紋個數(shù)41～46(120 s)近似,說明此程序的處理較為正確。此時,根據(jù)前面溫度檢測得到的結(jié)果,即條紋數(shù)與溫度變化的關(guān)系Δy = 8.30Δx ,得到溫度變化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,對照前面熱敏電阻計(jì)算的溫度變化值5.27 ℃,結(jié)果較為一致。說明此程序可以用來判定條紋個數(shù),對應(yīng)溫度變化與條紋數(shù)的關(guān)系,就可以得到溫度變化值,從而實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測量。

圖9 距標(biāo)定位最近的亮條紋分布圖

圖10 展開后的圖像 結(jié)束語 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)

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