第一篇：溫度傳感器課程設計

溫度傳感器簡單電路的集成設計

當選擇一個溫度傳感器的時候，將不再限制在模擬輸出或數字輸出裝置。與你系統需要相匹配的傳感器類型現在又很大的選擇空間。市場上供應的所有溫度感應器都是模擬輸出。熱電阻，RTDs和熱電偶是另一種輸出裝置，矽溫度感應器。在多數的應用中，這些模擬輸出裝置在有效輸出時需要一個比較器，ADC，或一個擴音器。因此，當更高技術的集成變成可能的時候，有數字接口的溫度傳感器變成現實。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，到那些報告遠的局部溫度提供警告的裝置。現在不只是在模擬輸出和數字輸出傳感器之間選擇，還有那些應該與你的系統需要相匹配的更廣闊的感應器類型的選擇，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）的數字I/O類中，溫度數據通常通過一個串行總線傳給微控制器。沿著相同的總線，數據由溫度傳感器傳到微控制器，通常設定溫度界限在引腳得數字輸出將下降的時候。當超過溫度界限的時候，報警中斷微控制器。這個類型的裝置也提供風扇控制。

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器上。圖2清楚地顯示當電壓和溫度之間為線性關系時，矽溫度傳感器比熱阻體好的多。在狹窄的溫度范圍之內，熱電阻能提供合理的線性和好的敏感特性。許多構成原始電路的熱電阻已經被矽溫度感應器代替。

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給得傳感器檢測。

在最大多數的應用中，這些裝置的輸出被裝入一個比較器或A/D轉換器，把溫度數據轉換成一個數字格式。這些附加的裝置，熱電阻和矽溫度傳感器繼續被利用是由于在許多情況下它的成本低和使用方便。數字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了。這種裝置包括一個允許與微控制器通信的數字接口。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字信號。微控制器然后能夠調整風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：設計的溫度傳感器可遙測處理器芯片上的p-n結溫度

圖4。溫度傳感器可檢測它自己的溫度和遙測四個p-n結溫度。

圖5。風扇控制器/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結溫度，它檢測四個結和它的自己內部的溫度。因此內部溫度接近周圍溫度。周圍溫度的測量給出關于系統風扇是否正在適當地工作的指示。

在圖5中顯示，控制風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，微處理控制風扇速度是通過改變送給風扇的信號周期者測量溫度一種功能。它允許電力消耗遠少于這個部分的線性模式控制所提供的。因為某些風扇在PWM信號控制它的頻率下發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功耗的一小部分。

當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閉這個系統電源，沒有為控制器和阻力潛在的災難性故障。

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

檢測依靠中心馬達的速度和周圍溫度的硬盤驅動器的溫度有兩個號的理由：在驅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。通過測量系統里面溫度，就能控制馬達速度將可靠性和性能最佳化。驅動器也能被關閉。在高端系統中，警告能為系統管理員指出溫度極限或數據可能丟失的狀況。

圖6。溫度超過某一界限的時候，集成電路信號能報警和進行簡單的ON/OFF風扇控制。

圖7.熱控制電路部分在絕對溫標形式下，頻率與被測溫度成比例的產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，因為只發送溫度數據需要一條單一線，就需要單一光絕緣體隔離信道。

模擬正溫度感應器

“模擬正量”傳感器通常匹配比較簡單的測量應用軟件。這些集成電路產生邏輯輸出量來自被測溫度，而且區別于數字輸入/輸出傳感器。因為他們在一條單線上輸出數據，與串行總線相對。

在一個模擬正量傳感器的最簡單例子中，當特定的溫度被超過的時候，邏輯輸出出錯：其它，是當溫度降到一個溫度極限的時候。當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，關閉儀器，或打開風扇。

當需要讀實際溫度時，微控制器是可以利用的，在單線上傳送數據的傳感器可能是有用的。用微處理器的內部計數器，來自于這個類型溫度感應器的信號很容易地被轉換成溫度的測量。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據。

圖9，在這條公共線上允許連接達到八個溫度傳感器。當微控制器的I/O端口同時關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據。微控制器很快地重新裝載接收來的每個傳感器的數據，在傳感器關閉期間，數據被編碼。在特定時間內每個傳感器對閘口脈沖之后的時間編碼。分配給每個感應器自己允許的時間范圍，這樣就避免沖突。

通過這個方法達到的準確性令人驚訝：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用中同樣顯著。舉例來說，當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，因為只需要一個光絕緣體。這些傳感器在汽車制造HVAC應用中也是很有效，因為他們減少銅的損耗數量。溫度傳感器的發展：

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發展，系統設計師將會看見更多特殊應用就像傳感器與系統接口連接的新方式一樣。最后，在相同的鋼模區域內集成更多的電子元件，芯片設計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

通過這些天的查找資料，我了解了很多關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。利用溫度所創造出來的傳感器即溫度傳感器是最早開發，應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世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術的支持下，在本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼開發了聲學溫度傳感器、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的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有關，和這兩種導體的材質有關。這種現象可以在很寬的溫度范圍內出現，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體，所以稱它為“熱電偶”。我查找的資料顯示數據:不同材質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溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40微伏／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，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無關，用非常細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，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，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，現代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了無數的便利和功能。

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。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計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，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內的溫度。

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動物體、小目標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溫度。如果想測定物體的真實溫度，就必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取絕于溫度和波長，而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關連，因此很難精確測量。在自動化生產中我發現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，物體表面發射率的測量是相當困難的。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射系數。利用有效發射系數通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。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射系數。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量，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。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即是介質溫度）進行修正而得到介質的真實溫度。現在，我通過這些天的努力，了解了很多溫度傳感器及其相關的一些傳感器的知識。他們在我們生活中的應用及其廣泛，我們只有加緊的學習加緊的完成自己所學專業的知識，了解相關的最新信息，我們才能跟上科技前進的步伐。

參考文獻：

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第二篇：2011基于18B20溫度傳感器論文

基于單片機18B20的溫度計設計

摘要：文章主要介紹有關18B20溫度傳感器的應用及有關注意事項，經典接線原理圖。1.引言：

溫度傳感器的種類眾多，在應用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達拉斯）公司生產的DS18B20溫度傳感器當仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得DS18B20更受歡迎。對于我們普通的電子愛好者來說，DS18B20的優勢更是我們學習單片機技術和開發溫度相關的小產品的不二選擇。了解其工作原理和應用可以拓寬您對單片機開發的思路。

2.DS18B20的主要特征： ? * 全數字溫度轉換及輸出。? * 先進的單總線數據通信。? * 最高12位分辨率，精度可達土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)? * 內置EEPROM，限溫報警功能。? * 64位光刻ROM，內置產品序列號，方便多機掛接。? * 多樣封裝形式，適應不同硬件系統。3.DS18B20引腳功能：

?GND 電壓地 ?DQ 單數據總線 ?VDD 電源電壓

4.DS18B20工作原理及應用：

DS18B20的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內部存儲器資源。18B20共有三種形態的存儲器資源，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）。數據在出產時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。

5.控制器對18B20操作流程：

1、復位：首先我們必須對DS18B20芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號。當18B20接到此復位信號后則會在15~60uS后回發一個芯片的存在脈沖。

2、存在脈沖：在復位電平結束之后，控制器應該將數據單總線拉高，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，通信雙方已經達成了基本的協議，接下來將會是控制器與18B20間的數據通信。如果復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，在設計時要注意意外情況的處理。

3、控制器發送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進行交流了，ROM指令共有5條，每一個工作周期只能發一條，ROM指令分別是讀ROM數據、指

定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報警芯片搜索。ROM指令為8位長度，功能是對片內的64位光刻ROM進行操作。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有的ID號來區別，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指令在下文有詳細的介紹。

4、控制器發送存儲器操作指令：在ROM指令發送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發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數據、讀RAM數據、將RAM數據復制到EEPROM、溫度轉換、將EEPROM中的報警值復制到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，是芯片控制的關鍵。

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

Read ROM（讀ROM）[33H]（方括號中的為16進制的命令字）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中寫數據）[4EH] Read Scratchpad（從RAM中讀數據）[BEH] Copy Scratchpad（將RAM數據復制到EEPROM中）[48H] Convert T（溫度轉換）[44H] Recall EEPROM（將EEPROM中的報警值復制到RAM）[B8H] Read Power Supply（工作方式切換）[B4H] 8.寫程序注意事項

DS18B20復位及應答關系

每一次通信之前必須進行復位，復位的時間、等待時間、回應時間應嚴格按時序編程。

DS18B20讀寫時間隙：

DS18B20的數據讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認信息交換的。寫時間隙：

寫時間隙分為寫“0”和寫“1”，時序如圖7。在寫數據時間隙的前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據的采樣時間，采樣時間在15~60uS，采樣時間內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”。每一位的發送都應該有一個至少15uS的低電平起始位，隨后的數據“0”或“1”應該在45uS內完成。整個位的發送時間應該保持在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該更加的精確才行，讀時間隙時也是必須先由主機產生至少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會發送內部數據位，這時控制如果發現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據“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內讀取數據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，字節的讀或寫是從高位開始的，即A7到A0.字節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。

結束語：基于DS18B20溫度測量溫度準確，接線簡單，易于控制，加以擴展可以應用到各種溫度控制和監控場合。

參考文獻：

DALLAS（達拉斯）公司生產的DS18B20溫度傳感器文獻

程序：

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int

sbit sda=P1^7;sbit dian=P0^7;//小數點顯示 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};//數碼管數據

//

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};//查表顯示小數位，1/16=0.0625,即當讀出數據為3時，3*0.0625=0.1875，讀出數據為3時對應1，查表顯示1，為4時顯2 uchar data temp[2]={0};//高位數據與低位數據暫存 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 { 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()//讀出一個字節的數據 { 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);//發送命令

write_s(0x44);//發送轉換命令

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()//數據顯示—數碼管 { 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)

// 取百位數據暫存

// 取后兩位數據暫存// 取十位數據暫存

{

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

} }

第三篇：光纖溫度傳感器 畢業論文

摘 要

本文從光纖和光纖傳感器以及光纖溫度傳感器的發展歷程開始詳細分析國內外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點，比較了不同方法的溫度測量范圍和性能指標以及各自的優缺點。通過研究發現了當前的光纖溫度傳感器的種類和特點，詳細介紹了光纖溫度傳感器的原理，種類和各自的特點和優缺點。可以根據這些傳感器各自特點將各種傳感器應用到不同的領域，本文也簡要分析了各種光纖溫度傳感器的運用范圍和領域。

本文還通過圖文并茂的方式比較詳細地分析了介紹了空調器的基本結構，工作電氣原理和基本的熱力學過程。

本文對畢業設計主要內容和擬采用的研究方案也做出了詳細地介紹分析。

關鍵詞：光纖，光纖傳感器，光纖溫度傳感器，運用領域，空調器，空調器原理

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、重量輕等優點，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特的優點。與傳統的傳感器相比具有一下優點:靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環境下安全可靠;頻帶寬，動態范圍大;幾何形狀具有多方面的適應性;可以與光纖遙測技術相配合，實現遠距離測量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠程控制、化學、生物化學、醫療、安全保險、電力工業等特殊環境下測溫有著廣闊的應用前景。

在本論文中將詳細分析當前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點和應用范圍。論文要求：

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

（2）掌握空調器的工作電氣原理和基本的熱力學過程。畢業論文綜述：

70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構成一種新的直接交換信息的基礎，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內的導光聯系起來。1977年，美國海軍研究所開始執行光纖傳感器系統計劃，這被認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驗室里出現。從70年代中期到80年代中期近十年的時間，光纖傳感器己達近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業、能源工業、醫學、化學和日常消費部門都得到實際應用。從目前的情況看，己有一些形成產品投入市場，但大量的是處在實驗室研究階段。光纖傳感器與傳統的傳感器相比具有一下優點:靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環境 下安全可靠;頻帶寬，動態范圍大;幾何形狀具有多方面的適應性;可以與光纖 遙測技術相配合，實現遠距離測量和控制;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:這些項目分別是:光纖傳感系統;現代數字光纖控制系統;光纖陀螺;核輻射監控;飛機發動機監控;民用研究計劃。以上計劃僅在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。

英國政府特別是貿易工業部十分重視光纖傳感器技術，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協會，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、帝國化學工業公司、英國煤氣公司、1 Taylor儀器公司、標準電信研究所及幾所主要大學。

德國的光纖陀螺的研究規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驗樣機。

日本制定了1979-1986年“光應用計劃控制系統”的七年規劃，投資達70億美金。有松下、三菱、東京大學等24家著名的公司和大學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個領域。主要應用于大型工廠，以解決強電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環境中信息測量、傳輸和生產全過程的控制問題。

我國光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規劃中提出15 項光纖傳感器項目，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、光纖陀螺、光纖磁場傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫用光纖傳感器、分析用 傳感器、集成光學傳感器等。預計“七五”期間的研制成果可達到美、日等國 80年代初、中期水平。

半導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中心實驗室，首次研制成功采用GaA、和Care半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對半導體材料認識的不斷深入，以及半導體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對采用半導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R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學氣象淀積)技術，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結構，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直接帶隙半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實用化。

國內對半導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，華中理工大學，東南大學等高校。他們對該種類型的傳感 器結構，特性和系統結構進行了詳細的分析和實踐。但大量的研究只集中在GaAs半導體作為感溫材料的傳感器上，與國外在該領域的研究水平仍有較大差別。光纖溫度傳感器的特點：

光纖溫度傳感器與傳統的溫度傳感器相比具有很多優點：光波不產生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測器件接收．可方便地進行光電或電光轉換．易與高度發展的現代電子裝置和計算機相匹配．光纖工作頻率寬．動態范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電．體積小質量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用。國外一些發達國家對光纖溫度傳感技術的應用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統已實用化．成為替代傳統溫度傳感器的商品。所有與溫度相關的光學現象或特性．本質上都可以用于溫度測量．基于此．用于溫度測量的現有光學 技術相當豐富。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．除對現有器件進行外場驗證、完善和提高外，目前有以下幾個發展動向：大力發展測量溫度分布的測量技術．即由對單個點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：開發包括測量溫度在內的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實現全光學遙測。光纖測溫傳感器是用光纖來測量溫度的。有兩種方法可實現。一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點；利用光纖將輻射能量傳輸到熱敏元件上，經

過轉換再變成可供紀錄和顯示的電信號。這種方法獨特之處就是可以遠距離測量；另外一種方法是利用光在光導纖維內傳輸的相位隨溫度參數的改變而改變的特點，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

在光纖中傳輸的單色光波可用如下形式的方程表示E=

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，即強度率w、波長、相位（wt+）和偏振態。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調制傳輸光光波的某一參數，使其隨之變化，然后對已知調制的光信號進行檢測，從而得到被測量。當被測物理量作用于光纖傳感頭內傳輸的光波時，使的強度發生變化，就稱為強度調制光纖傳感器；當作用的結果使傳輸光的波長、相位或偏振態發生變化時，就相應的稱為波長、相位或偏振調制型光纖傳感器。

5.1強度調制

5.1.1 發光強度調制傳感器的調制原理

光纖傳感器中發光強度的調制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發光強度變化，來實現對被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖所示。光源S發出的發光強度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內，光在被測物理量的作用下強度發生變化，即受到了外場的調制，使得輸出發光強度產生與被測量有確定對應關系的變化。由光電探測器檢測出發光強度的信號，經信號處理解調就得到了被測信號。

5.1.2 發光強度調制的方式 利用光纖微彎效應；

利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實現發光強度調制； 通過與光纖接觸的介質折射率的改變來實現發光強度調制； 在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實現發光強度調制；

利用發送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運動實現發光強度調制，這是當被測物理量引起接收光纖位移時，改變接收發光強度，從而達到發光強度調制的目的。這種位移式發光強度調制的光纖傳感器是一種結構簡單，技術較為成熟的光纖傳感器。

5.1.3 發光強度調制型傳感器分類

根據其調制環節在光纖內部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強度調制式光纖傳感器的特點 解調方法簡單、響應快、運行可靠、造價低。缺點是測量精度較低，容易產生偏移，需要采取一些自補償措施。

5.2相位調制 光纖傳感器的基本原理

通過被測量的作用，使光纖內傳播的光相位發生變化，再利用干涉測量技術把相位轉換為光強變化，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構。

5.3 波長調制光纖傳感器的基本原理

波長調制傳感器的基本結構如圖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、強度等)隨溫度變換的特點，進行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點．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的作用．以避開測溫區域復雜的環境．對待測對象的調制功能是靠其他物理性質的敏感元件來實現的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題．增加了系統的復雜性，且對機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狀。

6.1.1分布式光纖溫度傳感器

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

室用氬離子激光器作為光源進行了用石英光纖的拉曼光譜效應的分布光纖溫度傳感器測溫實驗．同年Hartog和Dakin分別獨立地用半導體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實驗裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發展．研究出了多種傳感機理．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的瑞利散射系統開始．經歷了基于0TDR的喇曼散射系統和基于0TDR的布里淵散射系統．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和它們結合才顯示出了它的優越性。基于0TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經顯示出了很大的優越性．所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點．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，中國計量學院、重慶大學、浙江大學等單位根據應用的需要．先后開展了分布式光纖溫度傳感器的研究。中國計量學院1997年研制了一種用于煤礦、隧道溫度自動報警的分布式光纖溫度傳感器系統，該系統光纖長為2km．測溫范圍為一50℃～150℃．測溫精度為2℃．溫度分辨率為O．1℃：2005年設計制造出31km遠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主要研究Bmgg光纖傳感技術。根據Bragg光纖光柵反射波長會隨溫度的變化而產生”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等人首先發現摻鍺石英光纖的光敏效應．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報導將其用于傳感。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。中科院上海光機所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業大學把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達到0．04℃：黑龍江大學光纖技術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。熒光測溫的工作機理是建立在光致發光這一基本物理現象上。所謂光致發光是一種光發射現象．就是當材料由于受紫外、可見光或紅外區的光激發．所產生的發光現象。出射的熒光參數與溫度有一一對應關系．通過檢測其熒光強度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強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，造成強度擾動，很難達到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測量是測溫系統的關鍵。美國密西西比州立大學用一種商用的環氧膠做溫度指示f含有多環芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發時發熒光．熒光的強度隨環氧膠周圍溫度的升高而減小．該傳感器可監測20℃～100℃范圍內的溫度。日本東洋大學根據Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發光(PL)譜與溫度有關．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時的光強隨溫度的升高單調減小．Tb：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學發現lOcm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數關系．這種雙摻雜系統對于測量苛刻環境的溫度非常有用。清華大學電子工程系利用半導體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。燕山大學設計了一種利用熒光波分和時分多路傳輸技術．通過檢測紅寶石晶體的熒光強度實現溫度測量的系統．該系統的測溫范圍：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大學用激光加熱基座法生長出端部摻Cr的藍寶石熒光光纖傳感頭．該傳感器的測溫范圍：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大學用一種鍍有陶瓷薄膜的藍寶石光纖作為傳感器的瞬態高溫測試系統．該系統的測溫范圍：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℃。哈爾濱工程大學研制出數字式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系做了一些研究。實驗裝置圖如圖1所示。

6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點及各自的研究方向

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特的優點和一定的不足，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點。它能夠連續測量光纖沿線所在處的溫度．測量距離在幾千米范圍．空間定位精度達到米的數量級。能夠進行不問斷的自動測量．特別適用于需要大范圍多點測量的直用場合。目前對分布式光纖溫度傳感器研究的重點：實現單根光纖上多個物理參數或化學參數的同時測量：提高信號接收和處理系統的檢測能力．提高系統的空間分辨率和測量不確定度：提高測量系統的測量范圍．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絡。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點外．還有一些明顯優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制。這一傳感機制的好處在于：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的需要：能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個布喇格光柵進行分布式測量：很容易埋人材料中對其內部的溫度進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點．但在應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特的優點：由于熒光壽命與溫度的關系從本質上講是內在的．與光的強度無關．這樣就可以制成自較準的光纖溫度傳感器．而一般的基于光強度檢測的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因為系統的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關而需經常校準：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：藍寶石和紅寶石發光、稀土發光及半導體吸收。

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：動態響應寬：結構靈巧。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構簡單、體積小、成本低、測量方便不需要解調等優點。但是它還存在著很多的不足：測量精度低；由于它是強度調制型光纖傳感器，光源的穩定性對其影響很大；使用壽命短等缺點。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用

光纖溫度傳感自問世以來．主要應用于電力系統、建筑、化工、航空航天、醫療以至海洋開發等領域，并已取得了大量可靠的應用實績。7.1.1 光纖溫度傳感器在電力系統有著重要的應用 電力電纜的表面溫度及電纜密集區域的溫度監測監控；高壓配電裝置內易發熱部位的監測；發電廠、變電站的環境溫度檢測及火災報警系統；各種大、中型發電機、變壓器、電動機的溫度分布測量、熱動保護以及故障診斷；火力發電廠的加熱系統、蒸汽管道、輸油管

道的溫度和故障點檢測：地熱電站和戶內封閉式變電站的設備溫度監測等等。7.1.2 光纖溫度傳感應用于建筑、橋梁上

光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對其內部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量．因而被廣泛的應用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發達國家早就開展了橋梁安全監測的研究．并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監測預警系統。用來監測橋梁的應變、溫度、加速度、位移等關鍵安全指標。1999年夏，美國新墨西哥Las Cmces lO號州際高速公路的一座鋼結構橋梁上安裝了120個光纖光柵溫度傳感器．創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的應用

航空航天業是一個使用傳感器密集的地方．一架飛行器為了監測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態、機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點來講．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學應用中是非常有意義的 光纖光柵傳感器是現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行內部測量。提供有關溫度、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州損害非常小．足以避免對正常醫療過程的干擾。7.1.5 光纖光柵傳感器永久井下測量的應用

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

8.1 空調器基本結構

是由制冷（熱)、空氣循環、電氣控制三大系統組成。制冷系統: 用于制冷劑循環及氣/ 液態變換。制冷劑系統的工作與否受控于電氣系統。空氣循環系統: 用于驅動空氣進行循環，過濾室內空氣，以及對制冷系統中蒸發器、冷凝器提供空氣熱交換條件，調節室內的溫度等。電氣控制系統: 用于控制冷系統與空氣循環系統的工作與否。

8.1.1 制冷系統的結構和工作過程制冷系統的結構

由壓縮機、冷凝器、過濾器、毛細管、蒸發器等首尾連接組成。其中，制冷劑的循環流通由壓縮機負責，制冷劑氣態轉換由蒸發器負責，制冷劑液態轉換由冷凝器負責，制冷劑壓力變換由壓縮機和毛細管負責，過濾器負責濾除制冷劑中微量臟物。對于制冷而言，其工

作過程以圖1 所示窗式空調器為例說明如下：當接通電源后，壓縮機及風扇開始運轉，蒸發器內的低壓氣態制冷劑，通過管路被壓縮機吸入，并壓縮為高壓、高溫氣態，再經過排氣管排入冷凝器對室外空氣放熱自身降溫變成液態。液態制冷劑經過濾器、毛細管節流后進入蒸發器，由蒸發器蒸發為氣態，并在蒸發過程中自身吸熱對室內空氣降溫，冷卻后的空氣由離心風扇吹向室內，室內的空氣又由風扇的吸氣端吸回。這樣，空氣不斷循環，周而復始，室內的空氣就得到了降溫并維持在一定溫度內，實現制冷目的。

8.1.2 制熱系統的結構和工作過程制熱系統的結構

對于制熱而言，其工作過程可用圖2 所示的冷暖空調制冷（熱）系統來說明。它是

在單冷空調制冷系統的基礎上增加了單換閥和輔助毛細管。制熱時除制冷劑走向（箭頭）與制冷時相反外，且室外側熱交換器作蒸發器用于吸熱，室內側熱交換器作為冷凝器用于放熱。

8.1.3 制冷（熱）系統各器件的功能與作用 現說明如下：

(1)壓縮機: 壓縮機運轉后，產生吸排氣功能，并由低壓管口（粗）吸氣、高壓管口（細）排氣，推動制冷劑在制冷管路中循環流通。同時對低壓管吸入的制冷劑進行壓縮變為高壓高溫后由高壓管口排出。

(2)冷凝器: 對壓縮機排出的高壓、高溫氣態進行制冷，在流經冷凝器的過程中，逐步散熱降溫而冷凝為液態／中溫／高壓制冷劑，實現制冷劑從氣態到 液態的轉換，以把制冷劑攜帶的熱量散發到空氣中，實現熱量的轉移。

(3)毛細管;是一根直徑4 mm、長l m左右的細銅管，接于過濾器（或冷暖機單向閥）與蒸發器之間，對冷凝器流出的中溫高壓液態制冷劑進行節流降壓，使蒸發器中形成低壓環境。

(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流通。(5)蒸發器: 經毛細管降壓節流輸出的制冷劑，在流經經蒸發器管路過程中逐步沸騰蒸發為氣體，并在蒸發過程吸收外界空氣的熱量，使周圍空氣降溫。

8.2 空氣循環系統的結構和工作過程

圖3 是窗機空氣循環系統示意圖。它由室內側、室外側空氣循環兩部位組成。兩者的核心器件均是多繞組風扇電機。風扇電機的轉速受控于功能開關（又稱主令開關），風速設置不同，功能開關對風扇電機調速繞組抽頭供電不同，調速繞組線圈匝數不同，它與運轉繞組串聯后的匝數不同，從而使風扇轉速不同。

8.3 電氣控制系統的結構和工作過程

電氣控制系統的核心器件是壓縮機和風扇電機，如圖4 所示。這兩個器件的CR 運行繞組在得到交流220 V 電源后，CS 啟動繞組瞬間有啟動電流流過就開始運轉，把電能變換為機械能。壓縮機運轉產生的機械能帶動制冷系統工作以實施制冷（熱）；風扇電機運轉產生的機械能，帶動扇葉旋轉以實現空氣循環。

(1)壓縮機工作控制

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

分別與4 端、8 端接通，對壓縮機、風扇電機提供供電回路。其中壓縮機供電回路如下：交流220 V 電源插頭L 端→功能開關1端、8 端→溫控器開關的C 端、L 端→F1 過載保護器的1 端、2 端→壓縮機的C 端。此時分為兩路：一路經R 端→C 啟動電容的1 端（運轉電流）；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，在壓縮機接通電源后，就啟動運轉，空調開始制冷。當制冷達到設置溫度時，溫控器斷開壓縮機供電電路，壓縮機停止運轉，終止制冷。當室內溫度上升到高于設置溫度時，溫控器再次自動接通壓縮機供給回路，壓縮機再次運轉制冷，以后重復上述過程。至于過載保護器，它緊貼在壓縮機外殼上以感知壓縮機溫度。在壓縮機啟動或運轉中，電流過大或壓縮機過熱時過載保護器會呈現高阻（相當于斷開），從而切斷壓縮機供電回路，達到保護壓縮機的目的。畢業設計主要內容和擬采用的研究方案

9.1 光纖溫度傳感器的設計

根據光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結構由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結構示意圖如圖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，是將所測量溫度轉換成直接能夠測量的參數，在這里，是轉換成光纖的損耗大小，同等狀態下，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，外加光纖保護措施，傳感頭主要工序就已經完成了。金屬零件隨溫度高低不同產生形變也不一樣，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。當傳感頭處的溫度場發生變化時，通過探測器將接收到的不同光信號轉換成電信號，進一步處理、計算，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α、環境溫度t 有關，而且與形體結構因子(取決于幾何參數)有關，計算比較復雜，在這里采用傳統的公式模擬來計算：

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，其數學表達式比較復雜，可選用平均線膨脹系數，經過查表可知。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較大的，且膨脹系數在整個溫度測量區間要較穩定，有較好重復性；溫度敏感頭的結構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時間，需要選用導熱系數較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時，能快速響應。經過課題組反復計算與試驗，選用成本較低、加工容易、導熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁。通過試驗，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內均可精確工作。9.1.2 傳輸部分

光纖在這里不僅要作為轉換器件使用，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 標準的多模光纖。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應力作用，必須對光纖的涂層進行加固耐磨處理，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

主要由發光管、探測器的驅動電路與數字電路處理兩部分組成，發光管、探測器的驅動電路技術已經非常成熟。數字電路處理主要使用價廉物美的單片機，CPU使用美國ATMEL 公司生產的AT89C52 單片機，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，片內含8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS－51 指令系統及8052 產品引腳兼容，片內置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。A/D 轉換采用AD 公司生產的12 位D574A 芯片，轉換時間位25μs，數字位數可設定為12 位，也可設為8 位，內部集成有轉換時鐘、參考電壓和三態輸出鎖存，可以與微機直接接口。為了方便在現場使用，光纖溫度傳感器擴展了LCD 顯示接口，同時還擴展了一個RS-232 通信口，用于同上位機進行通信，將現場采集的數據傳送到上位機，進一步分析處理。整個監控程序采用模塊化設計，主要的功能模塊有：系統初始化，A/D 采樣周期設定，數字濾波，數據處理，串行通信，中斷保護與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機匯編語言來編寫，使用廣泛、運算的速度快等特點，有效的利用單片機上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強的變化不是線性的，因此我們采用查表法對其測量值進行線性補償。

9.2 試驗檢驗與數據處理

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

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

第三步，定點測量，設定幾個或更多溫度點，記錄下，溫度與光功率對應值，反復多次試驗，觀察溫度敏感頭的重復性。光纖溫度傳感頭通過試驗測試，將溫度與光功率相對應數據制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。

通過上述試驗表明，傳感頭滿足使用要求，重復性非常好，加載發光管與探測器驅動電路以及信號處理電路，整體調試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關系，重復操作上述試驗第二、第三步，具體的溫度與電壓相對應值見表2，曲線圖見圖5。

通過觀察上述兩個曲線，形狀基本一致，重復性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個特殊點電壓值送到單片機進行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實測檢驗，與標準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計是成功的，傳感器整體測試精度較高。

9.3 設計方案

系統原理如圖1 所示,采用可見光將光束直接射入2根經端面處理且并排放置的光纖中,同時為使2 根光纖輸出的光強近似相等且最大,采用2 個不同焦距的透鏡來增強光的耦合程度。根據馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并 在監視器上觀測溫度變化時條紋的變化規律。一方面通過溫度標定得到溫度與條紋數的對應關系, 另一方面使用MATLAB 對采集到的干涉圖像進行處理,通過程序自動判別條紋數。從而得到溫度的變化值,實現光纖溫度傳感測量。

馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置

9.3.1 實現方法與現象(1)平臺的搭建

為了得到較好的效果,實現中應注意以下問題: ①耦合問題:在光纖傳感系統中,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。整個耦合系統調整組裝較容易,使用方便。

圖2 光路耦合示意圖

②光路準直:搭建實驗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光路。首先確定激光束與實驗平臺平行;其次在光路上分別加上透鏡,調整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。并且依據透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點上。如 圖3 所示。

圖3 光路準直示意圖

(2)產生的現象

根據前面論述的方案,通過光路調整等一系列過程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過使光纖的感溫部分受熱,可以在監視器上觀察到條紋的變化。當溫度升高時,條紋幾近勻速地向右移動;當溫度降低時,條紋向相反的方向移動。這樣的變化較為規律,但是對于溫度檢測電路來說,要求溫度變化可測,從而得到定量的關系;對于圖像檢測而言,條紋要盡量清晰,明暗對比強烈,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)電路設計:本文使用熱敏電阻標定溫度與干涉條紋數之間關系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數規律,即其非線性是十分嚴重的。當進行溫度測量時,應考慮將其進行線性化處理。測溫電路如圖5 所示。

圖5 測溫電路

本系統中所用的熱敏電阻為負溫度系數。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。根據式(1)以及壓阻變換關系可以得到下面這個最終的根據電壓的變化從而測得溫度變化的表達式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)數據處理

在測量過程中,為找到合適的電壓測量點,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,并根據公式得對應的溫度,求得Δt。同時記錄在這些點間的條紋移動數量,記為Δn。根據Δt 和Δn 可得到溫度與條紋之間的函數關系。(4)結果分析

設條紋變化數為Δy ,溫度變化數為Δx ,則根據實驗數據可以得到這樣一個近似線性的函數關系式:Δy = 8.30Δx。即溫度升高1 ℃,條紋移動8.30 個。如果標定起始溫度,根據這一關系,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))需調用imfilter 函數進行圖像濾波(濾波結果見圖7(b))。并使用閾值操作將圖像轉換為二值圖像(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,調用Sobel 算子進行檢測。結果如圖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 條紋記數程序設計

(1)設計思路:根據邊緣檢測后條紋的圖像質量,提取圖像質量較好的橫坐標為80 的一行元素的像素值,對其進行掃描,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條紋的輪廓,所以2 個邊緣構成一個亮或暗條紋。因此需要將提取出來的邊緣位置與原圖像進行對比,從而對條紋精確定位;判定離標定位置最近的亮條紋的分布情況,找到條紋移動規律;計算條紋移動周期,借鑒光學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。程序模塊流程圖如圖8 所示。

(2)結果分析：通過上面的程序計算,得到距離標志位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)計算周期,即T = 22。根據相位展開的相關原

圖8 條紋記數程序流程圖

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,轉換為類似線性的函數,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時難以判別,會產生誤差。因此,程序計算得到的數據與前面測溫時數出來的條紋個數41～46(120 s)近似,說明此程序的處理較為正確。此時,根據前面溫度檢測得到的結果,即條紋數與溫度變化的關系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算的溫度變化值5.27 ℃,結果較為一致。說明此程序可以用來判定條紋個數,對應溫度變化與條紋數的關系,就可以得到溫度變化值,從而實現光纖溫度傳感測量。

圖9 距標定位最近的亮條紋分布圖

圖10 展開后的圖像 結束語 畢業設計（論文）參考文獻

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第四篇：溫度傳感器工作原理

空調溫度傳感器為負溫度系數熱敏電阻，簡稱NTC，其阻值隨溫度升高而降低，隨溫度降低而增大。25℃時的阻值為標稱值。NTC常見的故障為阻值變大、開路、受潮霉變阻值變化、短路、插頭及座接觸不好或漏電等，引起空調CPU檢測端子電壓異常引起空調故障。空調常用的NTC有室內環溫NTC、室內盤管NTC、室外盤管NTC等三個，較高檔的空調還應用外環溫NTC、壓縮機吸氣、排氣NTC等。NTC在電路中主要有如圖一所示兩種用法，溫度變化使NTC阻值變化，CPU端子的電壓也隨之變化，CPU根據電壓的變化來決定空調的工作狀態。本文附表為幾種空調的NTC參數。室內環溫NTC作用：室內環溫NTC根據設定的工作狀態，檢測室內環境的溫度自動開停機或變頻。定頻空調使室內溫度溫差變化范圍為設定值+1℃，即若制冷設定24℃時，當溫度降到23℃壓縮機停機，當溫度回升到25℃壓縮機工作；若制熱設定24℃時，當溫度升到25℃壓縮機停機，當溫度回落到23℃壓縮機工作。值得說明的是溫度的設定范圍一般為15℃—30℃之間，因此低于15℃的環溫下制冷不工作，高于30℃的環溫下制熱不工作。變頻空調根據設定的工作溫度和室內溫度的差值進行變頻調速，差值越大壓縮機工作頻率越高，因此，壓縮機啟動以后轉速很快提升。室內盤管NTC室內盤管制冷過冷（低于+3℃）保護檢測、制冷缺氟檢測；制熱防冷風吹出、過熱保護檢測。空調制冷30分鐘自動檢查室內盤管的溫度，若降溫達不到20℃則自動診斷為缺氟而保護。若因某些原因室內盤管溫度降到+3℃以下為防結霜也停機（過冷）制熱時室內盤管溫度底于32℃內風機不吹風（防冷風），高于52℃外風機停轉，高于58℃壓縮機停轉（過熱）；有的空調制熱自動控制內風機風速；有的空調自動切換電輔熱變頻空調轉速控制等。室外盤管NTC制熱化霜溫度檢測，制冷冷凝溫度檢測。制熱化霜是熱泵機一個重要的功能，第一次化霜為CPU定時（一般在50分鐘），以后化霜則由室外盤管NTC控制（一般為—11℃要化霜，+9℃則制熱）。制冷冷凝溫度達68℃停壓縮機，代替高壓壓力開關的作用；變頻制冷則降頻阻止盤管繼續升溫。外環溫NTC控制室外風機的轉速、冬季預熱壓縮機等。排氣NTC使變頻壓縮機降頻，避免外機過熱，缺氟檢測等。吸氣NTC控制制冷劑流量，有步進電機控制節流閥實現。故障分析室內外盤管NTC損壞率最高，故障現象也各種各樣。室內外盤管NTC由于位處溫度不斷變化及結露或高溫的環境，所以其損壞率較高。主要表現在電源正常而整機不工作、工作短時間停機、制熱時外機正常內風機不運轉、外風機不工作或異常停轉，壓縮機不啟動，變頻效果差，變頻不工作，制熱不化霜等。化霜故障可代換室外盤管NTC或室外化霜板。在電源正常而空調不工作時也要查室內環溫NTC；空調工作不停機或達不到設定溫度停機，也要先查室內環溫NTC；變頻空調工作不正常也會和它有關。因室內環溫NTC若出現故障會使得CPU錯誤地判斷室內環溫而引起誤動作。室內環溫NTC損壞率不是很高。

第五篇：《傳感器》課程設計任務書

《傳感器》課程設計任務書

一、總要求

能夠獨立進行各種傳感器系統方案的設計及論證，選擇合理的機械結構和測量電路等，并且能結合實際進行有關精度分析與討論。

二、總任務

針對總要求進行原理及方案論證,包括機械結構設計、電路設計、精度分析以及撰寫報告等工作。

三、設計題目

請根據各自任務填寫

四、設計內容

請根據各自任務填寫 五 設計進度或計劃

1、準備及查閱資料 四天

2、方案設計及論證（總體方案）兩天

3、機械結構及電路設計（畫CAD圖和PROTEL圖）五天

4、整理報告及準備答辯 三天

六 設計說明書包括的主要內容

1、封面

2、目錄

3、設計任務書

4、正文（可按下列內容撰寫、僅供參考）1）序言（背景）(1000-2000字)對所設計的傳感器進行背景介紹，可包括系統工作原理的介紹等。2）方案設計及論證(1000-2000字)3）各種傳感器設計中的機械結構及電路設計的選取，精度分析及選型等。4）設計圖紙

機械結構及電路設計（畫CAD圖和PROTEL圖）5）總結心得體會 6）主要參考文獻

另：說明書的撰寫格式應符合一定的要求，可參照天津工業大學本科生畢業論文撰寫規范進行。

七、考核方法

考核可根據學生平時學習態度（含出勤率）20%、設計完成情況40%、圖紙及說明書質量（含答辯）40%確定。