温度传感器实验报告

温度传感器实验报告（通用6篇）

温度传感器实验报告 篇1

温度传感器响应特性创新实验

研究报告

学生：宋玉力 指导教师：王辉林

测控与精仪实验室 二00六年十二月

目 录

第一章 系统组成及检测原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 第二章 检测工艺参数设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 第三章 检测步骤与实验数据处理„„„„„„„„„„„„„„„„„„6第一章

系统组成及检测原理

传统的温度测量实验只是观察数值准不准，对于响应时间、特性曲线、补偿方法等不了解，本研究依托温度实训系统，对自制的K型的热电偶的主要技术参数响应时间、特性曲线、误差等全面检测。

自制K型的热电偶

智能化的自动检定智能化的检定装置以国家最新检定规程为依据，结合计量工作的实际经验以及先进的微机技术，实现了检定过程自动化，数据处理微机化的理想目标。

一、主要技术指标

数字多用表分辨力 电压 0.1μV 电阻 0.0001Ω 数字多用表准确度 电压 0.005%RD+10字

电阻 0.01%RD+10字 低电势扫描开关寄生电势 ≤0.4μV

二、依据的检定规程

JJG141-2000 工作用贵金属热电偶检定规程 JJG351-1998 工作用廉金属热电偶检定规程

JJG668-1997 工作用铂铑10-铂、铂铑13-铂短型热电偶检定规程 JJG229-1998 工作用铂、铜热电阻检定规程 JJG75-1995 工作用铂铑10-铂热电阻检定规程 JJG167-1995 工作用铂铑13-铂铑6热电偶检定规程

三、性能特点

软件基于Windows平台，微机最低配置：奔腾Ⅲ 1G、128内存、多媒体。该装置可以开展K、E、J、N、B、S、R、T等各种型号的热电偶的检定。工作基准可以达到检定一等标准热电偶的要求。

该装置可以开展Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等各种工作用热电阻的检定。尤其对三线制热电阻作了专门处理，使得测试工作十分简便易行。检定工程严格按国家检定规程进行，按温指标严格控制符合检定规程。依据检定工作实际需要设立接线盒，接线简单清楚，更便于操作。

四、主要优点

软件具有语音提示错误、操作指导功能，硬件自我测试功能，用户可方便查找故障点。升温曲线直观显示，原始记录数据自动处理、判断、自动打印证书。被检电偶、电阻采用多组检定，检定对象可达三、四十支，以提高劳动效率。工况环境较好的情况下，检定炉可采用微机控温；干扰强烈的环境中可使用外部高精度温控仪表控温，提高抗干扰能力。检定炉控温采用智能PID参数，各检定炉采用不同PID控制，各温度检定点可任意设置PID参数，实现控温指标的优化。软件具有设备管理数据库，可任意选择各热电偶卧式检定炉、标准器等设备。使用过程中修改、调入方便。

热电偶检定具有冷端自动补偿功能。系统采用同名极法检定标准电偶，达到高精度测量，可为各省地计量所提示服务。三线电阻检定采用人工换线与自动换线两种方法，满足不同用户需要。系统具有独立的温度超温保护装置，可避免超温事故的发生。五、系统原理框图

系统的核心部分是由微机、打印机、数字多用表、低电势扫描开关、温控配电箱或高精密智能温控器等构成。

外围恒温设备由标准恒温油槽、冰点槽、热电偶检定炉、冷端补偿器等构成，如下图： 第二章 检测工艺参数设计

一、热电偶检定的工作过程

1、热电偶检定的过程

标准及被检热电偶应捆扎成束，放入检定炉。其冷端接补偿导线后插入冷端补偿器。打开检定软件，信息输入完毕后，点击“启动”按钮，则微机控制扫描开关工作，并从数字多用表读取相关数据。微机在对线路进行有无开路、短路、接反等检查后，开始送加热信号给温控配电箱，配电箱送出相应的加热功率至热电偶检定炉。加热过程中，微机始终通过读取标准热电偶的电压值来监控炉温，并根据算法自动调整加热量，直至炉温稳定在我们所需要的设定温度值上。使用高精密智能控制器的用户，炉温由其直接控制。当炉温在绝对偏差及稳定度均符合要求时，微机控制扫描开关及数字多用表，完成对标准及被检热电偶的多遍检测。微机对测得的数据进行扫描，如认为稳定性达到要求，则开始控制系统进行下一个点的控温、检测。全部设定点检测完毕后，在微机上可预览原始数据及运算结果，需要时可输出至打印机。2.热电阻检定的过程

标准及被检电阻置于冰点槽或恒温油槽内，待温度稳定后，操作微机开始检测读数，读数完成后，如发现读数的稳定性未达到要求，可等待一段时间后重新进行该点的检定，请按提示将原来的数据覆盖。实现自动判断读数时机的用户，可以通过微机自动判断是否已经满足读数要求，自动读数。检定完毕后保存数据，原始数据及运算结果可在微机上预览，需要时打印输出。

二、系统各部分的工艺参数设置

1.计算机

计算机是整个系统的核心，主要功能：

它是软件运行的平台，提示用户输入各种参数，显示温度曲线，进行数据处理。控制扫描开关的工作，使标准及被检七路信号逐一进入数字多用表，完成模数转换。通过RS232接口与数字多用表进行数据通讯，控制数字多用表进行功能转换,并读取由各路信号转换而成的数字量，送微机进行处理。将采集到的温度信号与设定值进行比较，并根据相应的算法运算处理，得出加热量送温控配电箱，控制检定炉的温度。2.低电势转换开关

功能切换：进行测量状态的转换。

信号采集：采用我公司特殊设计的低电势转换开关,完成测量信号的调理及多路采集。状态指示：进行电阻测试时，绿色指示灯代表检测电流的方向，灯亮表示正向，灯灭表示反向；进行电偶测试时，触发输出端有直流电压输出。3.数字多用表

数字多用表接受来自计算机的指令，按要求进行功能转换，并将信号对应的数字量送入微机。数字表是系统中关系到量值传递准确性的核心仪器，它直接决定了检定数据的可靠性。本系统推荐使用美国产KEITHLEY2700数字多用表，它性能稳定，分辨率高，满足国家规程中相应的指标。4.打印机

完成原始记录及检定证书的输出。原则上对打印机并无特殊要求，只要能正常工作即可。但考虑到打印效果的差别及检定工作的重要性，使用激光打印机。5.温控配电箱

温控配电箱用来完成对检定炉的加热控制及温度超限保护。计算机输出的加热控制量由配电箱内部的固态继电器执行功率调节，加热电流直接送往检定炉，控制炉温达到检定要求。配电箱内部装有一块带上限保护继电器的温控表，用户可自行设定上限保护温度。当由于某种原因造成温度上冲时，温控表继电器跳开，随之配电箱内接触器也跳开，切断电流回路，以免发生事故。保护用测温电偶（一般为K型）应正确从检定炉另一端插入到炉管中心位置，并确认接线正确可靠。6.热电偶检定炉

为热电偶检定提供300℃以上检定温度环境；通常使用长度为600mm的管式检定炉；检定短型热电偶时使用长度为300mm的检定炉；检定双铂铑热电偶时使用特殊高温检定炉； 检定炉温场应符合规程要求。检定炉应具有较厚的保温层及较小的电感效应，以免引起温度及电信号的跳动。7.恒温油槽

提供300度以下检定温度环境。应选取搅拌性能良好，控温性能快速且稳定的恒温油槽。检定时的温场均匀性及稳定度应符合规程要求。8.高精密智能温控器

采用日本原装进口仪表，运行稳定且温度过冲小，控温精度高，可用来控制检定炉及恒温槽，并有串口与微机相联。第三章 检测步骤与实验数据处理

一、各部件的连接、软件安装与维护

1.计算机与扫描开关的连接

将显示器、键盘、鼠标等外部设备连接到主机上。取出我公司提供的USB软件加密狗，插在USB插口内。将主机、显示器、打印机、扫描开关、数字多用表的电源插头插入带有可靠接地的电源插座中。取扫描开关的通讯电缆，辨别插头针与孔的区别，一端连接计算机串口，另一头插入扫描开关通讯口。2.计算机与数字表的连接

从数字表的包装盒中取出RS232通讯电缆，辨别插头针与孔的区别，一端连接计算机串口,另一端连接数字多用表通讯口。3.扫描开关与温控配电箱的连接

扫描开关的触发输出接温控配电箱的触发输入，正负勿接反。4.扫描开关后面板、接线盒与测试线的连接

扫描开关后面板与测试线按标号、颜色连接，如1号绿色测试线接扫描开关后面板被检1的绿色接线柱，接线盒与测试线同样按标号、颜色连接，检查无误后，将接线盒安装在靠近工作区的墙壁上。5.数字表与扫描开关的连接

将数字表的两组测试线分别插入数字表电压端两个插孔及电流端两个插孔，测试线的另一端接扫描开关对应的电压端插孔及电流端插孔。6.温控配电箱与热电偶检定炉的连接

检定炉的加热电源由温控配电箱提供，温控配电箱的电源输出端接检定炉的电源端。注意：为保证人身安全，必须保证检定炉及温控配电箱均可靠接地！7.软件的安装及维护

本软件为绿色软件，不需要安装，将本软件所有内容复制到硬盘即可运行使用。保证系统安全可靠的运行，我公司要求：

推荐使用Windows2000操作系统，专机专用，专用的用户名登录,否则存在使用权限的问题。请勿在微机上安装游戏软件，不联接网络，以防病毒侵入。备份温度检定软件的参数设置，并不要轻易调整温度检定软件的各种设置，在经过咨询后方可调整。经过一段时间的运行，如发现温度检定软件或操作系统出现不正常现象，以至影响检定工作的正常进行则应进行软件的重新复制。如仍不能解决问题，则需要重新安装操作系统。

二、开机步骤

1.打开数字多用表电源开关，预热数字多用表（按要求预热45分钟以上）； 2.打开低电势扫描开关电源开关； 3.打开微机显示器及主机电源开关； 4.开展热电偶检定时打开温控配电箱电源； 5.启动检定软件； 6.操作软件进行工作。

三、软件程序使用

1、附件安装

运行热电偶检定软件；驱动安装-工具->安装附件->安装加密狗驱动程序；数字表多用表驱动安装-工具->安装附件->安装数字表驱动程序，选择用户所使用数字表型号的驱动；扫描开关驱动安装-工具->安装附件->安装扫描开关驱动程序，选择扫描开关的驱动；中文语音引擎-工具->安装附件->安装中文语音引擎。

注意：不安装加密狗或未安装加密狗驱动，软件运行时会提示“未安装加密狗驱动”，软件上方显示测试版，此时软件无法正常使用。

2、设备设置

可通过主程序菜单：文件－>设备，打开设备对话框。注：设备参数设置不完整的情况下退出设置，请点击“删除”，再点击“退出”。

设置数字表：选择左边栏的数字表，然后按“添加”，出现如下的数字表设置页面，新添加数字表以吉时利2010数字多用表为例,数字表默认名字为“新数字表”，您可以改成更易于辨别的名字,如2010,然后从“数字表型号”下拉框中选择您的数字表型号KEI2010.目前系统支持的数字表有：吉时利2000、2010和华易2003。然后为该数字表选择一个串口。也可以连接好数字表通讯线并打开其电源开关，然后按下“自动检测”按键让系统检测该数字表接的串口，检测过程中请等待，计算机会逐个测试。数字表设置完毕后，可通过点击“测试”按键测试读数是否正常。

设置扫描开关：点击展开左边的扫描开关，选择T04，出现下面的设置画面。

选择好扫描开关的串行口，也可以连接好扫描开关通讯线并打开其电源开关，然后按下“自动检测”按键让系统检测该扫描开关接的串口。

测试扫描开关：选中“进入测试状态”复选框，然后点击定位、步进等按钮，测试扫描开关走步是否正确；点击正向导通、反向导通进行换向的测试；在最下方空白处输入0-100数字，点击输出可以进行加热的测试。测试完毕，再次点击“进入测试状态”复选框，退出测试状态。注：必须退出测试状态，设备管理器设置才能正常退出。

设置标准器：标准器是标准计量器具，选中左边栏标准器，然后按“添加”，添加一支新的标准器。标准器的主要信息如下图：选择标准器的类型，根据不同的标准器类型填充数据。

例如：对一等标准铂铑10－铂热电偶，应根据此标准器的最新证书值填充它在锌、铝、铜三个点的电势值。

设置恒温装置：恒温装置是指检定炉或油槽、水槽。添加一个检定炉，并按下图设定检定炉的参数，并可为该检定炉设置其在不同温度点的PID控温参数。

设置外部控温器：如果您买的设备配备了外部控温器，您可通过下面的页面设置外部控温器，以取代微机控温。外部控温器目前支持SR93，输入温控器名称,选择型号SR93,选择通讯口，如不知道通讯口的设置则打开高精密智能温度控制器电源,并连接好其通讯线, 点击“自动检测”,自动检测出通讯口.最后点击“测试”,读数正确便可。

3、参数设置

文件->选项，打开选项对话框。点击控制标签，稳定参数设置—温度偏差、温度波动度，合格判定参数设置—温度偏差、温度波动度，选择PID模式，设置稳定时间和调节周期。点击数字表标签，读取检定数据设置--读数速度、滤波次数、读数延时时间。点击其它标签，设置背景音乐。

四、热电偶的检定数据处理

1、建立检定文件

通过主菜单 文件－>新建检定文件，系统将提示您输入检定文件的名称，根据您输入的名称生成一个检定文件。

2、填充检定参数，如下图

选择被检偶型号 选择偶丝直径

选择检定方法—工业用电偶一般采用双极法、标准偶检定一般采用同名极法

选择标准器--根据“设备”窗口中设置的标准器信息，系统会自动获取该标准器的数据 选择使用的恒温装置（即检定炉）选择使用的数字表 选择使用的扫描开关

使用高精度控制器的用户则点击“高级”标签，以确认使用外部控制器控温 输入各检定点

输入各接线端子上对应被检偶的信息（其中仪器编号必须输入，否则认为该端子上没有接被检偶）

设置冷端温度，如果您不指定冷端的温度，扫描开关应接一支四线铂电阻，以自动检测冷端的温度。

输入完毕后点击“保存”，信息保存后，点击“启动”按钮，系统自动控温、读数等检定过程。

3、技巧

输入检定点时，输完温度点后按回车键，系统会自动给出所选标准器对应电势值。如果您按下检定点表格左上角的“自动”按钮，系统会根据您选择的标准器和被检偶直径，按规程自动给出标准检定温度点及对应电势值。被检仪器的生产厂家等信息相同的情况下，只输入被检1的信息，双击生产厂家即可，仪器名称、送检单位、单位地址设置用相同的方法即可。

打开一份文件，前面的温度点已经有检定数据，只需要检定后面的温度点，双击不需要检定温度点前的序号，跳过此温度点。

升温曲线区域无升温曲线时，双击升温曲线区域显示当前升温曲线。热电偶控温及读数

热电偶检定开始后，系统将切换到下面的检定画面。

这时系统首先会检查各电偶的开路、短路、是否接反等情况，并会在出现异常时提示您改正,您可以在改正后选择“重试”或选择“忽略”略过该错误。这些检测结束后，系统就进入正常的控温过程。

在控温过程中，系统会自动进行智能PID控温，如果需要，您也可以通过按下“自动”按钮，将输出切换到手动状态，这时您可以在按钮上方的文字框中输入要输出的数值并回车，以人工控制加热输出量。在此要注意，输出的数值应在0－100之间，并且需按回车才能生效。

图示窗口在控温过程中会显示当前炉内的温度、设定值、冷端温度及加热输出量，并会画出升温曲线。黄线为温度设定值，红线为实际温升曲线。

一个检定点完成后，会出现一提示框，询问继续下一点检定或继续本点检定，数据理想的情况下，选中继续下一点检定，点击“确定”；数据不理想的情况下，选中继续本点检定，点击“确定”；数据异常的情况下请点击“等待”，查明原因后，再进行选择。

4、热电偶原始记录及检定

每个温度点检定完成后，系统会把数据输出到原始记录窗口中，并自动保存。所有温度点检定完成后，系统会根据规程自动判断是否合格。如果贵单位认为自己的使用环境对仪表的要求可以宽于国家检定规程的要求，可以选取校准选项，系统将只进行数据运算，不进行结果判断，用户自行决定该仪器是否合格。

原始记录可以直接打印，如果您有特殊的格式要求，也可以将数据输出到Excel中（计算机需预装Excel），自定义您的打印格式。具体技术细节可与我们联系。

温度传感器实验报告 篇2

湿度的准确测量对于工农业生产、环境监测、食品安全等领域都有着重要的意义。为了满足这些应用需求,市场上已有很多成熟的电学式湿度传感器产品,例如电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。虽然电学式湿度传感器具有测量精度高、响应速度快等优点,但长期稳定性及互换性较差[1],并且在某些特殊的应用场合(例如强电磁环境、油气监测环境)中会失效,甚至会引发安全事故。

光纤湿度传感器具有体积小、重量轻、电无源、不易受电磁干扰等优点,可以从根本上解决易燃易爆环境中的湿度测量问题。近年来,国内外涌现了大量光纤湿度传感器的报道,其中基于光纤布拉格光栅(FBG)的湿度传感器性能较为突出,FBG湿度传感器具有波长编码的特点,不受功率波动、系统损耗影响,能够满足各类应用场合下的环境湿度测量[2,3,4,5]。但在不同温度、湿度环境下光纤湿度传感器具有不同的温度、湿度灵敏度系数,这影响了其湿度测量精度。

为了提高光纤湿度传感器的湿度测量精度,本文采用聚酰亚胺湿敏薄膜作为裸(剥离涂覆层)FBG的涂覆层,通过湿敏薄膜吸湿、膨胀,改变FBG中心波长来监测环境相对湿度,同时采用另一根裸FBG作为温度传感器来补偿湿度传感器,从而实现温度、湿度双参量传感的目的。此外,本文对FBG温度和湿度双参量传感器在不同温度、湿度环境下的温度、湿度灵敏度系数进行了详尽的实验研究,并用于温度、湿度标定,提高了传感器的探测精度。

1 传感原理

FBG是利用特定的写入方式在光纤纤芯上沿轴向形成周期性调制的折射率,它具有波长选择的特性,可以对注入的宽带光信号滤出特定中心波长的窄带光信号,并满足如下关系:

式中:λB为布拉格波长,即FBG中心波长;neff为光纤纤芯有效折射率;Λ 为光栅周期。其中,neff和 Λ易受温度和应变的影响,导致FBG中心波长变化,FBG正是利用此特性对温度、应变进行传感,其满足如下关系:

式中:ΔλB为因温度、应变导致的FBG中心波长变化量,Pe为光纤的弹光系数,α 为光纤的线膨胀系数,ξ为光纤的热光系数,ε为应变,ΔT为温度变化。

图1为专门设计的FBG温度和湿度双参量传感器结构示意图。采用相位掩膜板法,经过248nm准分子激光器在剥离涂覆层的裸光纤上曝光刻写了两个FBG,其中FBG1为未做任何处理的温度传感器,而FBG2为涂覆了聚酰亚胺湿敏薄膜的湿度传感器。当环境相对湿度(RH)发生变化时,FBG2湿敏薄膜的湿膨胀程度也会随之发生变化,从而改变FBG2的轴向湿膨胀应变,导致FBG2中心波长λB2发生漂移,同时环境温度变化也会改变FBG2的中心波长 λB2。 此时,不受湿度影响的温度传感器FBG1提供环境温度T的变化量ΔT,以补偿湿度传感器FBG2,解决湿度传感器FBG2温度、湿度交叉敏感的问题,同时实现温度、湿度双参量传感。

整个工作过程可以由以下关系式描述:

式中:为FBG2的相对湿度灵敏度系数,单位为pm/(RH 1%);分别为FBG1、FBG2的温度灵敏度系数,单位为pm/℃;ΔHR为环境相对湿度HR的变化量。可见,FBG2的和分别为T和HR的函数,而FBG1对于湿度不敏感,故在不同湿度下都保持不变,是个恒定值。

2 标定实验及结果分析

2.1 标定实验原理

为了对所设计的FBG温度和湿度双参量传感器的进行标定,首先根据式(3)得到的变化量 ΔHR、ΔT与波长变化量 ΔλB1、ΔλB2的函数关系式:

然后将式(4)中的Δ值都替换为实测值,可得:

式中:分别为HR0、T0时FBG1、FBG2的中心波长。最后,将在不同的T、HR下监测FBG温度和湿度双参量传感器中FBG1和FBG2的峰值波长λB1和λB2代入式(5),便可计算出FBG温度和湿度双参量传感器的温度、湿度实时值。图2示出了典型的FBG温度和湿度双参量传感器光谱。

2.2 标定实验设计

在FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验中采用涂覆机对FBG2进行聚酰亚胺涂覆,涂覆层数为4层。图3示出了FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验系统的装置。FBG温度和湿度双参量传感器经光纤跳线连接MOI-SM125波长解调仪。为了得到完整的温度和湿度标定环境(T=5~50 ℃、HR=10%~100%),实验时先将FBG温度和湿度双参量传感器置于芬兰Vaisala公司生产的HMK15湿度校准仪内饱和盐溶液上方,由该湿度校准仪提供HR=10% ~100%范围内6个不同湿度点,然后将两者一起放置在温度可调节的密闭恒温水槽中,以获得稳定的温度,由该恒温水槽提供T=5~50 ℃范围内10个不同的温度点。同时,HMK15 湿度校准仪上方插入HM40温湿度计,观察HMK15湿度校准仪中实时的温度、湿度。待温度、湿度稳定后,通过与MOI-SM125波长解调仪配套的计算机LabVIEW软件读出FBG1与FBG2 的波长值λB1和λB2。HMK15湿度校准仪是基于饱和盐溶液法提供6个不同湿度点,表1示出了6种不同饱和盐溶液在不同温度下的HR值。

%

2.3 标定实验结果分析

在FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验过程中,通过改变恒温水槽的温度及选择不同饱和盐溶液获得T=5~50 ℃、HR=10%~100%范围内总计60个稳定的温度和湿度点,以此获得对应的60组λB1、λB2值。由于FBG1只受温度影响,不受湿度影响,而FBG2同时受温度和湿度的影响,通过对FBG2在不同温度下的相对湿度响应曲线进行线性拟合,得到(即一次项系数)和线性度(R-Square),如图4所示。可见,在10个不同温度点下,FBG2 的湿度响应曲线的线性度较高(≥0.996),随着温度的升高呈现出比较规律的减小趋势,这一趋势也可以从图5中非常容易地看出。

同样通过对FBG1、FBG2在不同湿度下的温度响应曲线进行线性拟合,得到(即一次项系数)和线性度(R-Square),如图6所示。由于HR的改变是通过选择饱和盐溶液来实现的,而同一种盐溶液在不同温度点下的HR是不同的,因此需要利用上述计算出的来对记录下的波长进行微调,以达到控制HR的目的。 由图6 可见,FBG1因其湿度不敏感特性,在各个湿度点下的温度响应都表现一致,显示为一条曲线;FBG1的比FBG2的略小,这是因为FBG2的聚酰亚胺涂覆层热膨胀造成了额外应变,使FBG2的中心波长出现漂移;FBG2的规律性地随着HR减小而增大,从HR=98.4%时的11.29pm/℃升至HR=12.8% 时的12.09 pm/℃,增量约为7%。

上述湿度传感器FBG2的温度、湿度灵敏度系数的实验研究结果表明,在不同温度、湿度环境下,湿度传感器的温度、湿度灵敏度系数是不同的。如果在T =47.9 ℃、HR=98.4% 的环境下,使用6.6 ℃时的湿度灵敏度系数进行湿度计算,其结果会与真实值差13%;而在T=25 ℃,HR=98.4%的环境下,使用HR=12.8%时的温度灵敏度系数进行温度计算,其结果会与真实值差7%,而每5 ℃的温度变化就会带来1% 的HR误差。 因此,采用和函数对FBG温度和湿度双参量传感器标定能够获得比以往光纤湿度传感器更高的湿度测量精度。

2.4 长期稳定性实验结果和分析

长期稳定性是衡量传感器的重要指标之一。我们将标定完毕的该FBG温度和湿度双参量传感器放在图3所示的温度、湿度环境中,选取某个固定的温度、湿度点(T=25 ℃,HR=38.2%),每隔2~3d记录一次FBG1和FBG2的λB1、λB2值,共记录100d,如图7所示。可见,该FBG温度和湿度双参量传感器的温度传感器FBG1的λB1最大变化为5pm,对应的T稳定性为0.5℃/(100d);湿度传感器FBG2的λB2最大变化约为10pm,对应的HR稳定性约为3%/(100d)(按最小湿度灵敏度系数算)。

3 总结与展望

采用饱和盐溶液湿度标定法对所设计的FBG温度和湿度双参量传感器进行了标定实验研究,利用实验测得的温度、湿度灵敏度系数对FBG温度和湿度双参量传感器进行标定,以提高传感器的温度和湿度探测精度。长期稳定性实验研究表明,该FBG温度和湿度双参量传感器具有良好的线性度与长期稳定性。由于饱和盐溶液湿度标定法无法快速切换湿度点,无法研究该传感器的响应速度,因此在该传感器投入实际使用前,还需要对其响应速度进行详细地研究及验证,后续的响应速度研究可以在温湿度检定箱中展开。

摘要：介绍了一种用聚酰亚胺湿敏薄膜制成的光纤布拉格光栅(FBG)温度和湿度双参量传感器,并采用了饱和盐溶液湿度标定法对其开展了不同温度、湿度环境下的标定实验研究,确定了该传感器的温度、湿度灵敏度系数。同时,实验研究显示该传感器具有良好的线性度与长期稳定性,最后讨论了该传感器投入实际应用所需的进一步研究及改进。

关键词：传感器,光纤布拉格光栅,温度,湿度

参考文献

[1]张向东,李育林,彭文达,等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J].光子学报,2003,32(10):1166-1168.

[2]梁厚慧.基于光纤环镜的高灵敏湿度传感器的研究[D].杭州:中国计量学院,2013.

[3]YULIANTI I,SUPA’AT A S M,IDRUS S M,et al.Design of fiber Bragg grating-based Fabry-Perot sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature[J].Optik,2013,124(19):3919-3923.

[4]RAJAN G,NOOR Y M.A fast response intrinsic humidity sensor based on an etched single-mode polymer fiber Bragg grating[J].Sensors&Actuators A:Physical,2013,203(1):107-111.

无线传感网实验报告 篇3

无线传感器网络 实验报告

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第一章 基础实验

了解环境

1.1 实验目的

安装 IAR 开发环境。CC2530 工程文件创建及配置。源代码创建，编译及下载。1.2 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机

软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境，TI 公司的烧写软件。

1.3 实验内容

1、安装 IAR 集成开发环境

IAR 集成开发环境安装文件所在光盘目录：物联网光盘工具CD-EW8051-7601

2、ZIBGEE 硬件连接

安装完 IAR 和 Smartrf Flash Programmer 之后，按照图所示方式连接各种硬件，将仿真器的 20 芯 JTAG 口连接到 ZX2530A 型 CC2530 节点板上，USB 连接到 PC 机上，RS-232 串口线一端连接 ZX2530A 型 CC2530 节点板，另一端连接 PC 机串口。

3、创建并配置 CC2530 的工程文件 IAR 是一个强大的嵌入式开发平台，支持非常多种类的芯片。IAR 中的每一个 Project，都可以拥有自己的配置，具体包括 Device 类型、堆/栈、Linker、Debugger 等。（1）新建 Workspace 和 Project 首先新建文件夹 ledtest。打开 IAR，选择主菜单 File-> New-> Workspace 建立新的工作区域。

选择 Project-> Create New Project-> Empty Project，点击 OK，把此工程文件保存到文件夹 ledtest 中，命名为：ledtest.ewp（如下图）。

（2）配置 Ledtest 工程

选择菜单 Project->Options...打开如下工程配置对话框

选择项 General Options，配置 Target 如下 Device：CC2530；

（3）Stack/Heap 设置：XDATA stack size：0x1FF

（4）Debugger 设置：

Driver：Texas Instruments（本实验为真机调试，所以选择 TI；若其他程序要使用 IAR仿真器，可选 Simulator）

至此，针对本实验的 IAR 配置基本结束.4、编写程序代码并添加至工程

选择菜单 File->New->File 创建一个文件，选择 File->Save 保存为 main.c 将 main.c 加入到 ledtest 工程，将实验代码输入

然后选择 Project->Rebuild All 编译工程

编译好后，选择 Project->Download and debug 下载并调试程序 下载完后，如果不想调试程序，可点工具栏上的按钮终止调试。

到此，程序已经下载到了 cc2530 芯片的 flash 内，按下 ZX2530A 上的复位按钮可看到程序的运行效果。

LED 实验 2.1 实验目的

通过 I/O 控制小灯闪烁的过程。

在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上运行自己的程序。2.2 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机

软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境。2.3 实验结果

1.正确连接下载线和 ZX2530A 型 CC2530 节点板，打开 ZX2530A 型 CC2530 节点板电源。

2.在文件夹“基础实验2 LED”下打开工程 led,编译工程，并下载到 CC2530 节点板。3.观察 LED 的闪烁情况。

4.修改延时函数，可以改变 LED 小灯的闪烁间隔时间。

5.重新编译，并下载程序到 CC2530 节点板，观察 LED 的闪烁情况。

答：增加延时就会发现小灯闪烁的频率降低了。

串口实验 3.1 实验目的

本次实验将会学习如果使用串口实现与 PC 机的通讯。（实验中需要 PC 机与开发板之间使用RS232 交叉串口连接线）。

能正确配置 CC2530 的串口。3.2 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机，交叉串口线一根。

软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境、串口调试助手。3.3 实验结果

CC2530 能与上位机通过串口正常通信

1.正确连接下载线和 ZX2530A 型 CC2530 节点板，用串口线正确连接上位机和 ZX2530A 型板，使能通过串口交换数据。

2.在文件夹“基础实验5 uart”下打开工程 uart,编译工程，并下载到 CC2530 节点板。

3.通过上位机上的串口调试助手，发送数据到 cc2530，然后检查 cc2530 回送给上位机的数据。

3.4 实验总结

通过这次实验，让我对无线传感器网络有了进一步的了解。在无线的世界，感觉一切都是那么神奇，二一切又是那么理所当然，记得小时候常常想，那些无线好神秘，画面，声音等怎么可以从一方到达另一方而可以完全不接触。虽然今天做的实验都是很小很简单的，比起显示中那些绚丽的感觉没什么值得赞扬的，但对于我来说，这个更有魅力，那些绚丽的我是以仰望的视角来对待，而这次我能深入它的原理去真正接触它，以平视来看待它。

第二章 射频实验

点对点射频通信实验 1 实验目的

在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上运行相应实验程序。熟悉通过射频通信的基本方法。练习使用状态机实现收发功能。2 实验内容

接收节点上电后进行初始化，然后通过指令 ISRXON 开启射频接收器，等待接收数据，直到正确接收到数据为止，通过串口打印输出。发送节点上电后和接收节点进行相同的初始化，然后将要发送的数据输出到 TXFIFO 中，再调用指令 ISTXONCCA 通过射频前端发送数据。3 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型 CC2530 节点板 2 块、USB 接口的仿真器，PC 机 Pentium100 以上。

软件：PC 机操作系统 WinXP、IAR 集成开发环境、串口监控程序。4 实验原理

发送节点通过串口接收用户的输入数据然后通过射频模块发送到指定的接收节点，接收节点通过射频模块收到数据后，通过串口发送到 pc 在串口调试助手中显示出来。如果发送节点发送的数据目的地址与接收节点的地址不匹配，接收节点将接收不到数据。以下为发送节点程序流程图：

以下为接收节点流程图： 实验步骤

1.打开光盘“无线射频实验2.点对点通信”双击 p2p.eww 打开本实验工程文件。2.打开 main.c 文件下面对一些定义进行介绍 RF_CHANNEL 此宏定义了无线射频通信时使用的信道，在多个小组同时进行实验是建议每组选择不同时信道。但同一组实验中两个节点需要保证在同一信道，才能正确通信。

PAN_ID 个域网 ID 标示，用来表示不同在网络，在同一实验中，接收和发送节点需要配置为相同的值，否则两个节点将不能正常通信。SEND_ADDR 发送节点的地址 RECV_ADDR 接收节点的地址

NODE_TYPE 节点类型：0 接收节点，1：发送节点，在进行实验时一个节点定义为发送节点用来发送数据，一个定义为接收节点用来接收数据。

3.修改 NODE_TYPE 的值为 0，并编译下载到节点板。此节以下称为接收节点。

4.修改 NODE_TYPE 的值为 1，并编译下载到另外一个节点板。此节点板以下称为发送节点。

5．将接收节点的串口与 pc 的串口相连，并在 pc 端打开串口调试助手，配置波特率为 115200。

6.先将接收节点上电，然后将发送节点上电。7.从串口调试助手观察接收节点收到的数据。

8．修改发送数据的内容，然后编译并下载程序到发送节点，然后从串口调试助手观察收到的数据。9.修改接收节点的地址，然后重新编译并下载程序到接收节点，然后从发送节点发送数据观察接收节点能否正确接收数据。6 实验数据分析及结论

发送节点将数据发送出去后，接收节点接收到数据，并通过串口调试助手打印输出。发送数据的最大长度为 125（加上发送的据长度和校验，实际发送的数据长度为 128 字节）。7 实验心得

这次实验在原来的短距离无线通信中有所涉猎，所以应该这个对于我们来说还是很简单的，所以很快就做完实验了，就和几个同学好好研究了一下它的原理和一些它的展望，感觉这个学科以后有很大的发展前途，作为一个物联网的学生，对无线射频技术应该得很了解，指望它吃饭呢。这次实验也很简单，但是还是可以解除它的最底层的东西可以更加激发我们的兴趣。第三章 ZStack组网实验

多点自组织组网实验 1 实验目的

理解 zigbee 协议及相关知识。

在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上实现自组织的组网。在 ZStack 协议栈中实现单播通信。2 实验内容

先启动协调器节点，协调器节点上电后进行组网操作，再启动路由节点和终端节点，路由节点和终端节点上电后进行入网操作，成功入网后周期的将自己的短地址，父节点的短地址，自己的节点 ID 封装成数据包发送给协调器节点，协调器节点接收到数据包后通过串口传给 PC，从 PC 上的串口监控程序查看组网情况。发送数据格式为(16 进制): FF 源节点(16bit)父节点(16bit)节点编号 ID(8bit)例如 FF 4B 00 00 00 01，表示 01 号节点的网络地址为 004B，发送数据到父节点，其网络地址为 00 00(协调器)。3 实验设备及工具

硬件：DZ2530 型 CC2530 节点板、USB 接口的仿真器，PC 机 Pentium100 以上。

软件：PC 机操作系统 WinXP、IAR 集成开发环境、ZTOOL 程序。4 实验原理

程序执行的流程图如图 5-4 所示，在进行一系列的初始化操作后程序就进入事件轮询状态。

对于终端节点，若没有事件发生且定义了编译选项 POWER_SAVING，则节点进入休眠状态。

协调器是 Zigbee 三种设备中最重要的一种。它负责网络的建立，包括信道选择，确定唯一的PAN 地址并把信息向网络中广播，为加入网络的路由器和终端设备分配地址，维护路由表等。Z-Stack 中打开编译选项 ZDO_COORDINATOR，也就是在 IAR 开发环境中选择协调器，然后编译出的文件就能启动协调器。具体工作流程是：操作系统初始化函数 osal_start_system 调用ZDAppInit 初 始 化 函 数，ZDAppInit 调 用 ZDOInitDevice 函 数，ZDOInitDevice 调 用

ZDApp_NetworkInit 函数，在此函数中设置 ZDO_NETWORK_INIT 事件，在 ZDApp_event_loop 任务中对其进行处理。由 第 一 步 先 调 用 ZDO_StartDevice 启动网络中的设备，再调用NLME_NetworkFormationRequest 函数进行组网，这一部分涉及网络层细节，无法看到源代 码，在库中处理。ZDO_NetworkFormationConfirmCB 和 nwk_Status 函数有申请结果的处理。如果成功则 ZDO_NetworkFormationConfirmCB 先执行，不成功则 nwk_Status 先执行。接着，在ZDO_NetworkFormationConfirmCB 函数中会设置 ZDO_NETWORK_START 事件。由于第三步，ZDApp_event_loop 任务中会处理 ZDO_NETWORK_START 事件，调用 ZDApp_NetworkStartEvt 函数，此函数会返回申请的结果。如果不成功能量阈值会按ENERGY_SCAN_INCREMENT 增加，并将App_event_loop 任务中的事件 ID 置为 ZDO_NETWORK_INIT 然后跳回第二步执行；如果成功则设置 ZDO_STATE_CHANGE_EVT 事件让 ZDApp_event_loop 任务处理。对 于 终 端 或 路 由 节 点，调 用 ZDO_StartDevice 后 将 调 用 函 数 NLME_NetworkDiscoveryRequest 进行信道扫描启动发现网络的过程，这一部分涉及网络层 细节，无法看到源代码，在库中处理，NLME_NetworkDiscoveryRequest函数执行的结果将会返回到函数ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB 中，该 函 数 将 会 返 回 选 择 的 网 络，并 设 置 事 件ZDO_NWK_DISC_CNF，在 ZDApp_ProcessOSALMsg 中对该事件进行处理，调用 NLME_JoinRequest加入指定的网络，若加入失败，则重新初始化网络，若加入成功则调用 ZDApp_ProcessNetworkJoin函数设置 ZDO_STATE_CHANGE_EVT，在对该事件的处理过程 中将调用ZDO_UpdateNwkStatus函数，此函数会向用户自定义任务发送事件 ZDO_STATE_CHANGE。本实验在 Zstack 的事例代码 simpleApp 修改而来。首先介绍任务初始化的概念，由于自定义任务需要确定对应的端点和簇等信息，并且将这些信息在 AF 层中注册，所以每个任务都要初始化然后才会进入 OSAL 系统循环。在 Z-Stack 流程图中，上层的初始 化集中在 OSAL 初始化（osal_init_system）函数中。包括了存储空间、定时器、电源管理和 各任务初始化。其中用户任务初始化的流程如下：

用户任务初始化流程图

任务 ID（taskID）的分配是 OSAL 要求的，为后续调用事件函数、定时器函数提供了参数。网络状态在启动的时候需要指定，之后才能触发 ZDO_STATE_CHANGE 事件，确定设备的类型。目的地址分配包括寻址方式，端点号和地址的指定，本实验中数据的发送使用单播方式。之后设置应 用 对 象 的 属 性，这 是 非 常 关 键 的。由 于 涉 及 很 多 参 数，Z-Stack 专 门 设 计 SimpleDescriptionFormat_t 这一结构来方便设置，其中的成员如下： EndPoint，该节点应用的端点，值在 1-240 之间，用来接收数据。AppProfId，该域是确定这个端点支持的应用 profile 标识符，从 Zigbee 联盟获取具体的 标识符。AppNumInClusters，指示这个端点所支持的输入簇的数目。pAppInClusterList，指向输入簇标识符列表的指针。AppNumOutClusters，指示这个端点所支持的输出簇的数目。pAppOutClusterList，指向输出簇标识符列表的指针。

本实验 profile 标识符采用默认设置，输入输出簇设置为相同 MY_PROFILE_ID，设 置完成后，调用 afRegister 函数将应用信息在 AF 层中注册，使设备知晓该应用的存在，初 始化完毕。一旦初始化完成，在进入 OSAL 轮询后 zb_HandleOsalEvent 一有事件被触发，就会得到及时的处理。事件号是一个以宏定义描述的数字。系统事件（SYS_EVENT_MSG）是强制的，其中包括了几个子事件的处理。ZDO_CB_MSG 事件是处理 ZDO 的响应，KEY_CHANGE 事件 处理按键（针对 TI 官方的开发板），AF_DATA_CONFIRM_CMD 则是作为发送一个数据包 后的确认，AF_INCOMING_MSG_CMD是接收到一个数据包会产生的事件，协调器在收到 该事件后调用函数 p2p_test_MessageMSGCB，将接收到的数据通过 HalUARTWrite 向串口 打印输出。ZDO_STATE_CHANGE 和网络状态的改变相关在此事件中若为终端或路由节点 则发送用户自定义的数据帧：FF 源节点短地址(16bit，调用 NLME_GetShortAddr()获得)、父节点短地址(16bit，调用 NLME_GetCoordShortAddr())、节点编号 ID(8bit，为长地址的最低字节，调用 NLME_GetExtAddr()获得，在启动节点前应先用 RFProgrammer 将非 0XFFFFFFFFFFFFFFFF 的长地址写到 CC2530 芯片存放长地址的寄存器中)，协调器不做任何处理，只是等待数据的到来。终端和路由节点在用户自定义的事件 MY_REPORT_EVT中 发 送 数 据 并 启 动 定 时 器 来 触 发 下 一 次 的 MY_REPORT_EVT 事件，实现周期性的发送数据（发送数据的周期由宏定义 REPORT_DELAY 确定）。5 实验步骤

1.打开工程文件夹协议栈实验2.多点自组网ProjectszstackSamplesSimpleAppCC2530DB下的工程文件 SimpleApp.eww。2.选择工程

编译，生成协调器代码，并下载到 ZX2530A 开发板。此节点为协调器节点。3.选择工程

编译，生成终端节点代码，并下载到 ZX2530 开发板。此节点为终端节点。4.选择工程

编译，生成路由器节点代码，并下载到 ZX2530 开发板，此节点为路由器节点。5.用串口线将协调器节点与 pc 连接起来，在 pc 端打开 ZTOOL 程序。(ZTOOL 程序在 zstack 安装后自动安装)6.开启 ZX2530A 型 CC2530 节点板电源。7.在 ZTOOL 程序中观察组网结果。6 实验数据分析及结论

由接收数据的 DebugString 可以看出图中有两个节点加入了网了，其中一个节点的 DEVID 是21，网络地址：4f07，父节点地址是 0 即协调器。另外一个节点的 DEVID 是 11，网络地址：A6F7，父节点地址是 4f07 即上一节点。实验中可以试着改变不同节点的位置，然后通过 ZTOOL 看看组网结果有什么不同。7 实验心得

这次实验感觉比原来的更有趣，可以在手机上看到无线连接的组网，所以和同学们很有兴趣，虽然只有几个分支，但是几个的通信还是可以清晰可见的。同时也让我们看到了大型android手机的模样，以前都是看成品，这次看的是半成品，感觉很有意思。在组网的过程中，遇到了一些问题，刚开始不知道如何解决，就问同学和老师，有的是线的问题，由于实验器材本身的问题，导致一些松动之类的，但最后实验总算是顺利的完成了。在这感谢帮助我的同学和老师。第四章 传感器网络综合实验

Zigbee 节点控制程序设计 1.1 协调器节点工程

SimpleCoordinator 即协调器工程，如下图

协调器的应用功能代码实现文件是 SimpleCoordinator.c 在工程文件夹 App 目录下具体实现可参考源码。按下键盘上的 F7 即个编译协调器工程，编译好之后可将代码下载到协调器节点板。1.2 人体红外传感器节点工程

SimpleInfrared 即人体红外传感器工程，如下图

人体红外传感器节点应用控制代码可参考工程目录 App 下 SimpleInfrared.c 1.3 超声波距离传感器节点工程 SimpleDistanceSensor 即超声波距离传感器工程，如下图

超声波距离传感器节点实现代码可参考工程目录 App 下

SimpleDistanceSensor.c。超声波测距驱动代码请参考 ys-srf05.c 文件。

1.4 湿度传感器节点工程

SimpleHumiditySensor 即湿度传感器节点工程，如下图

湿度传感器应用控制代码可参考工程目录 App 下SimpleHumiditySensor.c 文件，其湿度的测量驱动可参考温湿度传感器驱动 dht11.c 文件

平台控制操作 2.1 启动程序

1）安装好程序后，打开 android 应用程序面板，找到图标 点击进入程序。

2）直接点击登录按钮，进入到系统主界面。第一次进入是系统会自动连接到 zigbee 网关然后去搜索 zigbee 网络，默认的 zigbee 网关地址为本机 IP 地址，即 127.0.0.1。

3）如果你的 zigbee 网关地址不是本机，则需要修改默认网关地址。通过按下系统‘菜单’按键，会出现如下菜单，选择‘设置’菜单，可以设置默认的 zigbee 网关。如下图：

4）设置好网关后，下次启动程序就不用再次设置了。2.2 搜索网络

如果 zigbee 网关设置好，通过菜单选择‘搜索网络’就可以搜索 zigbee 网络了，正常情况下至少会有一个协调器节点，如果程序提示搜索不到网络，请检查你的网络连接和协调器是否正确连接。如果 zigbee 网络上还有其它节点，可以在网络 TOP 图上一起显示出来。如下，是一个zigbee 网络 TOP 图：

图中共有 7 个节点，其中最上面那个是协调器节点，其它为传感器节点，其中地址为 58229的灯光设备带有路由功能，属路由器节点，它下面有两个子节点，分别为人体传感器和温度传感器。2.3 传感器节点操作

通过搜索到的 zigbee 网络 TOP 图，可以了解整个 zigbee 网络的节点分布情况。通过点击屏幕上相应节点的图标可以进入相关节点的控制和监控操作。

下图为温度传感器的监控界面：

其它界面读者可以自行实验，并且去了解。

实验心得

光纤温度传感器 毕业论文 篇4

本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。

本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。

本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。

关键词：光纤，光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理

Abstract 引言：

光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。

在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。论文要求：

（1）详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较不同方法的温度测量范围和性能指标。

（2）掌握空调器的工作电气原理和基本的热力学过程。毕业论文综述：

70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70年代中期到80年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境 下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤 遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。

目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是:光纤传感系统;现代数字光纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控;民用研究计划。以上计划仅在1983年就投资12-14亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等28个主要单位。美国光纤传感器开始研制最早，投资最大，己有许多成果申请了专利。

英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在1982年有该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1985年为止，共有26个成员，其中包括中央电器研究所、Delta控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、1 Taylor仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。

德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公司在1980年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。

日本制定了1979-1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达70亿美金。有松下、三菱、东京大学等24家著名的公司和大学从事光纤传感器研究。从1980年7月到1983年6月，申请光纤传感器的专利464件，涉及11个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息测量、传输和生产全过程的控制问题。

我国光纤传感器的研究工作于80年代初开始，在“七五”规划中提出15 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用 传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 80年代初、中期水平。

半导体吸收型光纤温度传感器基本上是80年代兴起的，其中以日本的研究最为广泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采用GaA、和Care半导体材料的吸收型光纤温度传感器。由于人们对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。在90年代前后，出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在1988年，Roorkee 大学R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化学气象淀积)技术，在光纤端面上淀积多 晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。目前，以GaAs 和CdTe直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。

国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚，兴起于90年代后期。主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。他们对该种类型的传感 器结构，特性和系统结构进行了详细的分析和实践。但大量的研究只集中在GaAs半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。光纤温度传感器的特点：

光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配．光纤工作频率宽．动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果．不少光纤温度传感器系统已实用化．成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现象或特性．本质上都可以用于温度测量．基于此．用于温度测量的现有光学 技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20％。光纤温度传感器的研究．除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术．即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布．以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测量温度在内的多功能的传感器：研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。光纤测温传感器是用光纤来测量温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表面辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上，经

过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测量；另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的特点，光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变而引起的。光纤传感器的基本原理

在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示E=

式中，、频是光波的振幅：w是角频率；为初相角。该式包含五个参数，即强度率w、波长、相位（wt+）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。

5.1强度调制

5.1.1 发光强度调制传感器的调制原理

光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来实现对被测对象的检测和控制。其基本原理如图所示。光源S发出的发光强度为的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度产生与被测量有确定对应关系的变化。由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。

5.1.2 发光强度调制的方式 利用光纤微弯效应；

利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制； 通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制； 在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制；

利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制，这是当被测物理量引起接收光纤位移时，改变接收发光强度，从而达到发光强度调制的目的。这种位移式发光强度调制的光纤传感器是一种结构简单，技术较为成熟的光纤传感器。

5.1.3 发光强度调制型传感器分类

根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。强度调制式光纤传感器的特点 解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。缺点是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。

5.2相位调制 光纤传感器的基本原理

通过被测量的作用，使光纤内传播的光相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。如图5-40其中图a、b、c分别为迈克尔逊、马赫-泽得和法布里-珀罗式的全光纤干涉仪结构。

5.3 波长调制光纤传感器的基本原理

波长调制传感器的基本结构如图5-41。光纤温度传感器

6.1几种光纤温度传感器的原理和研究现状

光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性f相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用．以避开测温区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题．增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感．下面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和研究现状。

6.1.1分布式光纤温度传感器

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的．1983年英国的Hartog用液体光纤的拉曼光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性实验．1985年英国的Dakin在实验

室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温实验．同年Hartog和Dakin分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器实验装置：此后。分布光纤温度传感器得到了很大的发展．研究出了多种传感机理．有的还使用了特种光纤。分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射fOTDRl的瑞利散射系统开始．经历了基于0TDR的喇曼散射系统和基于0TDR的布里渊散射系统．使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入．使OFDR和它们结合才显示出了它的优越性。基于0TDR和OFDR的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性．所以基于OTDR0FDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点．尤其是基于OFDR的新的分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、温度分辨率为1℃、空间分辨率为1．22m的分布式光纤温度传感器。在国内，中国计量学院、重庆大学、浙江大学等单位根据应用的需要．先后开展了分布式光纤温度传感器的研究。中国计量学院1997年研制了一种用于煤矿、隧道温度自动报警的分布式光纤温度传感器系统，该系统光纤长为2km．测温范围为一50℃～150℃．测温精度为2℃．温度分辨率为O．1℃：2005年设计制造出31km远程分布式光纤温度传感器．测温范围0℃～100℃，温度测量不确定度为2℃．温度分辨率为0．1℃，测量时间为432s．空间分辨率为4m。6.1.2 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感技术主要研究Bmgg光纤传感技术。根据Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978年．加拿大渥太华通信研究中心的K．O．HiU等人首先发现掺锗石英光纤的光敏效应．采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)，1989年，Morev首次报导将其用于传感。英国T．A1lsoD利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为O．9℃、曲率分辨率为0．05的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利A．Iadicicco利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅fThFBGsl同时测量折射率和温度．该传感器的温度分辨率为0．1℃．在折射率1．

45、1．33附近的折射率分辨率分别为10-s、104。中科院上海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光纤光栅温度传感器的灵敏度提高到O．02℃：哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在金属半管上．使其分辨率达到0．04℃：黑龙江大学光纤技术研究所提出了一种光纤光栅fFBGl的Ti合金片封装工艺，使温度灵敏度达到0．05℃。6.1.3 光纤荧光温度传感器

光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光发射现象．就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发．所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系．通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难达到高精度：荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式．荧光寿命的测量是测温系统的关键。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示f含有多环芳烃化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激发时发荧光．荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小．该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据Tb：Si0，和Tb：YAG的光致发光(PL)谱与温度有关．将其制成光纤温度传感器。在300～1200K的温度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm时的光强随温度的升高单调减小．Tb：YAG晶体的PL谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现lOcm长的Ybn、E一双掺杂光纤在915nm处．两荧光强度的比值在20℃～300℃间与温度成指数关系．这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。清华大学电子工程系利用半导体GaAs材料对光的吸收随温度变化的原理。研制出测温范围：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纤温度传感器。燕山大学设计了一种利用荧光波分和时分多路传输技术．通过检测红宝石晶体的荧光强度实现温度测量的系统．该系统的测温范围：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大学用激光加热基座法生长出端部掺Cr的蓝宝石荧光光纤传感头．该传感器的测温范围：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大学用一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤作为传感器的瞬态高温测试系统．该系统的测温范围：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。6.1.4 干涉型光纤温度传感器

干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach—Zehnder干涉仪、Fabry—Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。英国的Samer K．Abi Kaed Bev用长周期光纤光栅做成Mach—Zehnder干涉型光纤温度传感器．其温度分辨率为O．7℃。燕山大学研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纤温度传感器．其测温范围为一40℃～100℃．分辨率为0．01℃。哈尔滨工程大学研制出数字式Mach—Zehnder干涉型光纤传感器．其测温范围为35cC～80℃，压力、温度、位移分辨率分别为0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。

干涉式光纤温度传感器工作示意图

6.1.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器

基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌克兰采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生产的多模阶跃塑料包层硅纤芯光纤HCN～H，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围一30℃～70℃．灵敏度达到O．5℃。法国研究出测温范围一20℃～60℃。灵敏度为0。2℃的基于弯曲损耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些研究。实验装置图如图1所示。

6.2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向

分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器分别具有独特的优点和一定的不足，因此它们的研究方向不同。6.2.1 分布式光纤温传感器

分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度．测量距离在几千米范围．空间定位精度达到米的数量级。能够进行不问断的自动测量．特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对分布式光纤温度传感器研究的重点：实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的同时测量：提高信号接收和处理系统的检测能力．提高系统的空间分辨率和测量不确定度：提高测量系统的测量范围．减少测量时间：基于二维或多维的分布式光纤温度传感器网络。6.2.2 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外．还有一些明显优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响：避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要：能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量：很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点．但在应用中还需考虑很多因素：波长微小位移的检测；宽光谱、高功率光源的获得；光检测器波长分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纤光栅的封装；光纤光栅的可靠性；光纤光栅的寿命。6.2.3 光纤荧光温度传感器

光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点：由于荧光寿命与温度的关系从本质上讲是内在的．与光的强度无关．这样就可以制成自较准的光纤温度传感器．而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器f如辐射型1则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准：测量范围广，特别在高温情况下多用光纤荧光温度传感器。目前国外的研究主要围绕着荧光源的选择．主要为下面几个方面：蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半导体吸收。

6.2.4 干涉型光纤温度传感器

干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高：动态响应宽：结构灵巧。研究干涉型光纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。6.2.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器

基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需要解调等优点。但是它还存在着很多的不足：测量精度低；由于它是强度调制型光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等缺点。在今后的研究中主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。光纤温度传感器的应用

光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。7.1.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管

道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。7.1.2 光纤温度传感应用于建筑、桥梁上

光纤光栅温度传感器很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量．因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究．并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统。用来监测桥梁的应变、温度、加速度、位移等关键安全指标。1999年夏，美国新墨西哥Las Cmces lO号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器．创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。

7.1.3 光纤温度传感在航空航天业的应用

航空航天业是一个使用传感器密集的地方．一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个．因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。7.1.4 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的岗厂阴，等：光纤温度传感器的研究和应州损害非常小．足以避免对正常医疗过程的干扰。7.1.5 光纤光栅传感器永久井下测量的应用

因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感．挪威的Optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。空调器的工作电气原理和基本的热力学过程

8.1 空调器基本结构

是由制冷（热)、空气循环、电气控制三大系统组成。制冷系统: 用于制冷剂循环及气/ 液态变换。制冷剂系统的工作与否受控于电气系统。空气循环系统: 用于驱动空气进行循环，过滤室内空气，以及对制冷系统中蒸发器、冷凝器提供空气热交换条件，调节室内的温度等。电气控制系统: 用于控制冷系统与空气循环系统的工作与否。

8.1.1 制冷系统的结构和工作过程制冷系统的结构

由压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发器等首尾连接组成。其中，制冷剂的循环流通由压缩机负责，制冷剂气态转换由蒸发器负责，制冷剂液态转换由冷凝器负责，制冷剂压力变换由压缩机和毛细管负责，过滤器负责滤除制冷剂中微量脏物。对于制冷而言，其工

作过程以图1 所示窗式空调器为例说明如下：当接通电源后，压缩机及风扇开始运转，蒸发器内的低压气态制冷剂，通过管路被压缩机吸入，并压缩为高压、高温气态，再经过排气管排入冷凝器对室外空气放热自身降温变成液态。液态制冷剂经过滤器、毛细管节流后进入蒸发器，由蒸发器蒸发为气态，并在蒸发过程中自身吸热对室内空气降温，冷却后的空气由离心风扇吹向室内，室内的空气又由风扇的吸气端吸回。这样，空气不断循环，周而复始，室内的空气就得到了降温并维持在一定温度内，实现制冷目的。

8.1.2 制热系统的结构和工作过程制热系统的结构

对于制热而言，其工作过程可用图2 所示的冷暖空调制冷（热）系统来说明。它是

在单冷空调制冷系统的基础上增加了单换阀和辅助毛细管。制热时除制冷剂走向（箭头）与制冷时相反外，且室外侧热交换器作蒸发器用于吸热，室内侧热交换器作为冷凝器用于放热。

8.1.3 制冷（热）系统各器件的功能与作用 现说明如下：

(1)压缩机: 压缩机运转后，产生吸排气功能，并由低压管口（粗）吸气、高压管口（细）排气，推动制冷剂在制冷管路中循环流通。同时对低压管吸入的制冷剂进行压缩变为高压高温后由高压管口排出。

(2)冷凝器: 对压缩机排出的高压、高温气态进行制冷，在流经冷凝器的过程中，逐步散热降温而冷凝为液态／中温／高压制冷剂，实现制冷剂从气态到 液态的转换，以把制冷剂携带的热量散发到空气中，实现热量的转移。

(3)毛细管;是一根直径4 mm、长l m左右的细铜管，接于过滤器（或冷暖机单向阀）与蒸发器之间，对冷凝器流出的中温高压液态制冷剂进行节流降压，使蒸发器中形成低压环境。

(4)过滤器: 滤除制冷剂中微量脏物，保证制冷剂在制冷管路中的循环流通。(5)蒸发器: 经毛细管降压节流输出的制冷剂，在流经经蒸发器管路过程中逐步沸腾蒸发为气体，并在蒸发过程吸收外界空气的热量，使周围空气降温。

8.2 空气循环系统的结构和工作过程

图3 是窗机空气循环系统示意图。它由室内侧、室外侧空气循环两部位组成。两者的核心器件均是多绕组风扇电机。风扇电机的转速受控于功能开关（又称主令开关），风速设置不同，功能开关对风扇电机调速绕组抽头供电不同，调速绕组线圈匝数不同，它与运转绕组串联后的匝数不同，从而使风扇转速不同。

8.3 电气控制系统的结构和工作过程

电气控制系统的核心器件是压缩机和风扇电机，如图4 所示。这两个器件的CR 运行绕组在得到交流220 V 电源后，CS 启动绕组瞬间有启动电流流过就开始运转，把电能变换为机械能。压缩机运转产生的机械能带动制冷系统工作以实施制冷（热）；风扇电机运转产生的机械能，带动扇叶旋转以实现空气循环。

(1)压缩机工作控制

这里，以图4(a)所示的窗机置于高冷状态为例说明。由图可见，这时功能开关1 端

分别与4 端、8 端接通，对压缩机、风扇电机提供供电回路。其中压缩机供电回路如下：交流220 V 电源插头L 端→功能开关1端、8 端→温控器开关的C 端、L 端→F1 过载保护器的1 端、2 端→压缩机的C 端。此时分为两路：一路经R 端→C 启动电容的1 端（运转电流）；另一路径S 端子→C 启动电容2 端、1 端（启

动电流），最后至电源插头的N 端。这样，在压缩机接通电源后，就启动运转，空调开始制冷。当制冷达到设置温度时，温控器断开压缩机供电电路，压缩机停止运转，终止制冷。当室内温度上升到高于设置温度时，温控器再次自动接通压缩机供给回路，压缩机再次运转制冷，以后重复上述过程。至于过载保护器，它紧贴在压缩机外壳上以感知压缩机温度。在压缩机启动或运转中，电流过大或压缩机过热时过载保护器会呈现高阻（相当于断开），从而切断压缩机供电回路，达到保护压缩机的目的。毕业设计主要内容和拟采用的研究方案

9.1 光纤温度传感器的设计

根据光纤弯曲损耗的理论分析，光纤温度传感器结构由三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分，具体结构示意图如图3 所示。9.1.1 温度敏感头

温度敏感头是温度传感器中最主要的部件，是将所测量温度转换成直接能够测量的参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，如图3 所示，将光纤施加一定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两端头引出，在引出光纤的两端制作连接器，外加光纤保护措施，传感头主要工序就已经完成了。金属零件随温度高低不同产生形变也不一样，加载在 13 零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不仅与零件尺寸、组成该形体的材料线膨胀系数α、环境温度t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数)有关，计算比较复杂，在这里采用传统的公式模拟来计算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—温度t 时的尺寸；L—20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达式比较复杂，可选用平均线膨胀系数，经过查表可知。为了提高传感器的灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测量区间要较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料铝。通过试验，传感器在-40°C～＋80°C温度范围内均可精确工作。9.1.2 传输部分

光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲损耗更敏感的多模光纤，一般地采用62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。9.1.3 信号处理部分信号处理部分

主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL 公司生产的AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes 的随机存取数据存储器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51 指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。A/D 转换采用AD 公司生产的12 位D574A 芯片，转换时间位25μs，数字位数可设定为12 位，也可设为8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了LCD 显示接口，同时还扩展了一个RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有：系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。

9.2 试验检验与数据处理

已经制作好的温度敏感头通过试验测试。第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接

相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中； 第二步，设置恒温槽温度，观察光功率计值的变化情况，要满足在测量的整个工作区间光功率都有变化；

第三步，定点测量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试，将温度与光功率相对应数据制成表格，具体见表1 所示，曲线图见图4。

通过上述试验表明，传感头满足使用要求，重复性非常好，加载发光管与探测器驱动电路以及信号处理电路，整体调试传感器，观察温度与传感器输出的电压值关系，重复操作上述试验第二、第三步，具体的温度与电压相对应值见表2，曲线图见图5。

通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二乘法曲线拟合，输出温度值。通过实测检验，与标准温度值误差最大值为±1°C，基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。

9.3 设计方案

系统原理如图1 所示,采用可见光将光束直接射入2根经端面处理且并排放置的光纤中,同时为使2 根光纤输出的光强近似相等且最大,采用2 个不同焦距的透镜来增强光的耦合程度。根据马赫2曾德干涉原理,在出口处2 路光纤并排紧密放置,发生干涉。随后由CCD 传感器接收,并 在监视器上观测温度变化时条纹的变化规律。一方面通过温度标定得到温度与条纹数的对应关系, 另一方面使用MATLAB 对采集到的干涉图像进行处理,通过程序自动判别条纹数。从而得到温度的变化值,实现光纤温度传感测量。

马赫2泽德干涉型光纤温度传感器装置

9.3.1 实现方法与现象(1)平台的搭建

为了得到较好的效果,实现中应注意以下问题: ①耦合问题:在光纤传感系统中,各部件采用耦合效率较高的凸透镜耦合,如图2 所示。将激光器放在凸透镜的焦点上,使其为平行光,然后再用另一个凸透镜将平行光聚集到光纤端面上。整个耦合系统调整组装较容易,使用方便。

图2 光路耦合示意图

②光路准直:搭建实验平台时要注意使整个光路平行于平台,这就需要利用光屏十字法来校准光路。首先确定激光束与实验平台平行;其次在光路上分别加上透镜,调整光具座使透镜前后的光斑落在十字的中心位置。并且依据透镜焦距,使光纤的端面尽量位于透镜的焦点上。如 图3 所示。

图3 光路准直示意图

(2)产生的现象

根据前面论述的方案,通过光路调整等一系列过程,得到干涉图像如图4 所示。通过使光纤的感温部分受热,可以在监视器上观察到条纹的变化。当温度升高时,条纹几近匀速地向右移动;当温度降低时,条纹向相反的方向移动。这样的变化较为规律,但是对于温度检测电路来说,要求温度变化可测,从而得到定量的关系;对于图像检测而言,条纹要尽量清晰,明暗对比强烈,才能在图像处理时减少不必

要的误差。

图4 干涉条纹图像

9.3.2 信号检测及处理 1 温度标定

(1)方案: 为使感温部分的光纤均匀受热,选择2 个5 cm的薄铜片将光纤夹入其中。使用电烙铁为其加热,使其温度变化范围加大,条纹移动明显。对于其他不感温光纤,将其固定在绝热平台上,减小热源的影响。

(2)电路设计:本文使用热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系,由于热敏电阻随温度变化呈指数规律,即其非线性是十分严重的。当进行温度测量时,应考虑将其进行线性化处理。测温电路如图5 所示。

图5 测温电路

本系统中所用的热敏电阻为负温度系数。其特性可

以表示为:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分别为温度T 和T0 时的电阻值。根据式(1)以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的变化从而测得温度变化的表达式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)数据处理

在测量过程中,为找到合适的电压测量点,选择时间为参考因素,以60 s 为一个阶段,测量一次热敏电阻两端电压,记录电压值,并根据公式得对应的温度,求得Δt。同时记录在这些点间的条纹移动数量,记为Δn。根据Δt 和Δn 可得到温度与条纹之间的函数关系。(4)结果分析

设条纹变化数为Δy ,温度变化数为Δx ,则根据实验数据可以得到这样一个近似线性的函数关系式:Δy = 8.30Δx。即温度升高1 ℃,条纹移动8.30 个。如果标定起始温度,根据这一关系,即可得到变化后的温度值。9.3.3 干涉条纹图像采集与处理

采用MVPCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像,采集程序如图6 所示。并对图像做如下处理(见图7): 对CCD 采集下来的图像(见7(a))需调用imfilter 函数进行图像滤波(滤波结果见图7(b))。并使用阈值操作将图像转换为二值图像(见图7(c)),从而很好地将对象从背景中分离出来。通常温度的判断基于处理后的条纹图像,因此需采用边缘检测来提取图像的特征。在MATLAB 中使用专门的边缘检测edge 函数,调用Sobel 算子进行检测。结果如图7(d)所示。

采集流程图

图7 干涉条纹图像采集与处理

9.3.4 条纹记数程序设计

(1)设计思路:根据边缘检测后条纹的图像质量,提取图像质量较好的横坐标为80 的一行元素的像素值,对其进行扫描,得到像素值为1 的位置,即条纹边缘的位置;由于边缘提取得到的条纹是原来条纹的轮廓,所以2 个边缘构成一个亮或暗条纹。因此需要将提取出来的边缘位置与原图像进行对比,从而对条纹精确定位;判定离标定位置最近的亮条纹的分布情况,找到条纹移动规律;计算条纹移动周期,借鉴光学测量中的相位展开原理,将图像变换为近似线性的曲线,从而得到条纹移动过总的像素值,除以周期,即得条纹移动个数。程序模块流程图如图8 所示。

(2)结果分析：通过上面的程序计算,得到距离标志位32 最近的亮条纹位置R 的变化情况(见图9)。可看出, R 的值是有规律地在变化,表明R 存在周期性。通过程序中得到的r(条纹边缘像素)计算周期,即T = 22。根据相位展开的相关原

图8 条纹记数程序流程图

理,把像素值小于32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某一值时,将其加上一个周期,转换为类似线性的函数,如图10 所示。由图(10)可以得到移动条纹总的像素值M = 820 ,除以展开周期T = 22 , 即可以判别移动条纹个数N =M/ T = 37。由于确定的判别像素间距,程序在条纹小范围左右徘徊的状态时难以判别,会产生误差。因此,程序计算得到的数据与前面测温时数出来的条纹个数41～46(120 s)近似,说明此程序的处理较为正确。此时,根据前面温度检测得到的结果,即条纹数与温度变化的关系Δy = 8.30Δx ,得到温度变化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,对照前面热敏电阻计算的温度变化值5.27 ℃,结果较为一致。说明此程序可以用来判定条纹个数,对应温度变化与条纹数的关系,就可以得到温度变化值,从而实现光纤温度传感测量。

图9 距标定位最近的亮条纹分布图

图10 展开后的图像 结束语 毕业设计（论文）参考文献

[1]张志鹏, W A.Gambling，著，光纤传感器原理，中国计量出版社，1991 [2]王玉田.光电子学与光纤传感器技术[M].北京: 国防工业出版社, 2003.[5]廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.[6]许忠保, 叶虎年, 叶 梅.半导体吸收式光纤温度传感器[J ].半导体光电, 2004 , 25(1): 62264.[7]赵仲刚, 杜柏林, 逢永秀, 等.光纤通信与光纤传感[M].上海: 上海科学技术文献出版社, 1993.[8]张福学，传感器应用及其电路精选.电子工业出版社，1991 [9]强锡富，传感器，哈尔滨工业大学，2001.5 [11]关荣峰，等，半导体光纤温度传感器特性研究，光电工程，V61240997 [13]王廷云，罗承沐，申烛，半导体吸收式光纤温度传感器，清华大学学 报(自然科学版)，2001 [14]黄玲.无线传感器网络简述 [J] [15]传感器世界.2005.11（10）

温度传感器实验报告 篇5

摘要：文章主要介绍有关18B20温度传感器的应用及有关注意事项，经典接线原理图。1.引言：

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。了解其工作原理和应用可以拓宽您对单片机开发的思路。

2.DS18B20的主要特征：  * 全数字温度转换及输出。 * 先进的单总线数据通信。 * 最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 * 12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 * 可选择寄生工作方式。 * 检测温度范围为–55°C ~+125°C(–67°F ~+257°F) * 内置EEPROM，限温报警功能。 * 64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。 * 多样封装形式，适应不同硬件系统。3.DS18B20引脚功能：

•GND 电压地 •DQ 单数据总线 •VDD 电源电压

4.DS18B20工作原理及应用：

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。

5.控制器对18B20操作流程：

1、复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。

2、存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

3、控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指

定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。ROM指令在下文有详细的介绍。

4、控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

5、执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。数据的读写方法将有下文有详细介绍。6.DS28B20芯片ROM指令表

Read ROM（读ROM）[33H]（方括号中的为16进制的命令字）Match ROM（指定匹配芯片）[55H] Skip ROM（跳跃ROM指令）[CCH] Search ROM（搜索芯片）[F0H] Alarm Search（报警芯片搜索）[ECH] 7.DS28B20芯片存储器操作指令表：

Write Scratchpad（向RAM中写数据）[4EH] Read Scratchpad（从RAM中读数据）[BEH] Copy Scratchpad（将RAM数据复制到EEPROM中）[48H] Convert T（温度转换）[44H] Recall EEPROM（将EEPROM中的报警值复制到RAM）[B8H] Read Power Supply（工作方式切换）[B4H] 8.写程序注意事项

DS18B20复位及应答关系

每一次通信之前必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应严格按时序编程。

DS18B20读写时间隙：

DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换的。写时间隙：

写时间隙分为写“0”和写“1”，时序如图7。在写数据时间隙的前15uS总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在15~60uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。每一位的发送都应该有一个至少15uS的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45uS内完成。整个位的发送时间应该保持在60~120uS，否则不能保证通信的正常。读时间隙：

读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的15uS

中DS18B20会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。注意：必须在读间隙开始的15uS内读取数据位才可以保证通信的正确。在通信时是以8位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即A7到A0.字节的读写顺序也是如图2自上而下的。

9.接线原理图：

本原理图采用四位数码管显示，低于100度时，首位不显示示例27.5，低于10度时示例为9.0，低于零度时示例为-3.7。

结束语：基于DS18B20温度测量温度准确，接线简单，易于控制，加以扩展可以应用到各种温度控制和监控场合。

参考文献：

DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器文献

程序：

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int

sbit sda=P1^7;sbit dian=P0^7;//小数点显示 uint tem;

uchar h;uchar code tabw[4]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};//位选 uchar code tabs[12]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};//数码管数据

//

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};//查表显示小数位，1/16=0.0625,即当读出数据为3时，3*0.0625=0.1875，读出数据为3时对应1，查表显示1，为4时显2 uchar data temp[2]={0};//高位数据与低位数据暂存 uchar data display[5]={0};//显示缓存

void delay(uchar t)//t为1时延时小于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);//延时500us以上

sda=1;

delay(5);//等待15us-60us

x=sda;

}

delay(45);

x=~sda;}

sda=1;} void write_s(uchar temp)//写入一个字节 { 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()//读出一个字节的数据 { 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()//读出温度 { reset();delay(200);write_s(0xcc);//发送命令

write_s(0x44);//发送转换命令

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()//数据显示—数码管 { 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)//温度转换{ 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)

// 取百位数据暂存

// 取后两位数据暂存// 取十位数据暂存

{

n=0;

display[3]=0x0b;} } void main(){ delay(0);delay(0);delay(0);P0=0xff;P1=0xff;for(h=0;h<4;h++)//初始化为零

{

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

scan_led();while(1){

convert_t(read_1820());//读出并处理

scan_led();//显示温度

温度传感器实验报告 篇6

飞机刹车温度监控系统由4个K型温度传感器, 将温度值转换为微弱的电压值。再由两个刹车监控组件, 补偿热电偶冷端的同时, 将来自温度传感器的微弱电压放大, 并发送电压数据至刹车/转弯控制组件 (BSCU) , 刹车/转弯控制组件 (BSCU) 将来自刹车监控组件的电压信号改变为ARINC429信号, 并将这些数据和BRAKE HOT警告送到ECAM DU。

2 刹车温度传感器概述

刹车温度传感器工作原理实质就是热电偶工作原理, 它由外壳 (Housing Assembly) 和连接器 (Connector) 组成, 大致外观图如图1所示;探针附在外壳和两根导线压接的引脚上, 通过它自动检测碳刹车片温度, 提供一个在刹车制动时与热量释放变化相关的电信号;即是说, 当炭刹车被操作时释放热量导致探头温度上升, 温度升高在镍铝-镍铬合金结合处引起“塞贝克效应”———Seebeck热电势。

塞贝克 (Seeback) 效应, 又称作第一热电效应, 它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。 (见图1)

在刹车温度传感器连接器 (Connector) 左侧面提供了3只引脚, 根据CMM手册“描述与操作 (DESCRIPTION AND OPERATION) ”章节得知分为A、B、C命名;其中“A”脚为镍铝合金、“B”脚为黄铜 (在此没有用到) 、“C”脚为镍铬合金;因此该热电偶为镍铝合金和镍铬合金的热电偶, 即K型热电偶。K型热电偶具有线性度好, 测量范围光, 热电动势较大, 灵敏度高, 稳定性和均匀性较好, 抗氧化性能强, 价格便宜等优点。

3 刹车温度传感器的主要性能测试

两种不同的导体 (或半导体) 组成一个闭合回路, 在闭合回路中, A、B导体称为热电极。将两个接点分别置于温度为T和T0的热源中, T端结点称为工作端或热端;T0端结点称为冷端或自由端。两种导体接触时, 自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, 在接触处失去电子的一侧带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电势。同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量而跑到低温端, 比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场, 该静电场阻止电子继续向低温端迁移, 最后达到动态平衡, 在导体两端便形成温差电势。

刹车温度传感器输出的电压是热端和冷端组件的电势差, 实际应用中, 热电势与温度之间关系可以通过热电偶分度表来确定的, 由此当我们可以获取A、B两端的电动势通过查询分度表便得知温度, 用得到的温度与探针端所给定的温度进行对比。 (见表1)

从分度表上我们可以看到, 当冷端为0℃时, 电势恰好为0V, 因此电压表显示的的压制即是热端的电势值, 查找分度表, 便能查到对应热端的温度, 即炭刹车片的温度。因此, 在测试过程中, 要求将冷端温度控制为0℃, 提供0V电势。实际测试过程是冷端连接一个电子冰点器, 模拟0℃是热电偶的0V电势。当使用热电偶 (T/C) 探头与电压表一起测量温度时, 微型冷端电子冰点器用作自动冷端温度补偿。

测试搭建如图2。

在CMM的测试过程中, 要求连接传感器, 电子冰点器和电压表的导线为K型导线, 即传感器的镍铝端连接导线的镍铝端, 镍铬端连接导线的镍铬端。通过测试比较, 我们还发现, 导线的长短, 不影响测试的结果。这也是K型热电偶的优点之一, 虽然输出的电势信号很微弱, 但是无论中间的传输距离多远, 测试的结果不改变。从分度表上, 我们可以看出K型热电偶的另外一个优点:线性度很好, 10度的温差, 电压的差别大概为0.4m V。

4 结束语

温度传感器广泛运用于民用和工用的各行各业, 而K型热电偶是现在运用最多的廉价金属热电偶。理解K型热电偶的工作以及测试原理, 将更有助于我们的分析故障原因, 排除测试过程中的数据误差。作者希望通过此文以达到抛砖引玉的效果, 希望各位专家给出更多的宝贵意见和见解, 对文章不足之处加以指正。

参考文献