大氣溫度測量論文

1、工程測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文 大氣溫度測量論文 學(xué) 號： XXXXXXXXX 姓 名： X X 指導(dǎo)老師： X X 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 教4-118 XXXX學(xué)院2014年6月13日大氣溫度測量論文導(dǎo)論：大氣溫度是表示空氣冷熱程度的物理量,是大氣主要狀態(tài)、氣象要素中主要要素之一。例如大氣中發(fā)生的熱力過程和水汽凝結(jié)現(xiàn)象都與大氣溫度有密切關(guān)系。在日常生活實(shí)踐中,許多物理現(xiàn)象和化學(xué)過程無不與溫度有密切關(guān)系。因此,對溫度的測量,有十分重要的意義。一、氣溫測量方案評述測試系統(tǒng)組成如下：測量電路傳感器基本轉(zhuǎn)換電路顯示記錄被測對象A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)在氣溫測定中,測定要求的精確度,使用的儀器及測定方法都是按照各自要求和特點(diǎn)

2、進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇的。這就要求對各種類型的測溫儀器的基本原理、性能、特點(diǎn)等有所了解,既可避免盲目要求儀器精度而造成浪費(fèi),又可獲得較高質(zhì)量、具有代表性的資料。方案一：根據(jù)線性尺寸變化為原理的測量溫度。雙金屬溫度測量利用雙金屬片隨空氣溫度變化而伸縮的原理,測定空氣溫度連續(xù)變化。主要由感應(yīng)部分、傳動(dòng)放大部分、自記部分與支承保護(hù)部分等組成。這類儀器有日記、周記、自記雙金屬溫度計(jì)。其特點(diǎn)為:(1)可連續(xù)記錄溫度變化,能讀出溫度變化趨勢。(2)可保存記錄。(3)屬機(jī)械儀器,不宜做成遙測;遙測時(shí)需間斷點(diǎn)轉(zhuǎn)換,不連續(xù)。(4)結(jié)構(gòu)也算簡單,屬常規(guī)臺站儀器之一。方案二：利用電阻隨空氣溫度變化而變化測定空氣溫度的儀器1

3、.電阻溫度表，金屬導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的升高而增加,測定其電阻值,便可推知其溫度。通常由金屬電阻測溫元件、電阻溫度表的測量線路(電橋)、支承與保護(hù)殼體等組成。這類溫度表有鐵、銅、鎳、鉑、銀、康銅、黃銅、錳鎳銅、鍛銅、鎳鉻鐵等金屬溫度表。特別是鉑電阻溫度表,可做得很準(zhǔn)確,用來作標(biāo)準(zhǔn)儀器校準(zhǔn)其它測溫儀器。其特點(diǎn)為:(1)特性穩(wěn)定,熱慣性可做得很小和很大,測溫范圍寬。(2)具有良好的防輻射性能,金屬絲細(xì)散熱性好。(3)感應(yīng)元件可做得很小和任意幾何形狀,可測空氣、土壤、水體和植物群落間的溫度。(4)輸出電信號,適于遙測。2.熱敏電阻溫度表，熱敏電阻(半導(dǎo)體)的電阻值隨著溫度的升高而減小(溫度系數(shù)為負(fù)值

4、),便可推知溫度。通常由熱敏電阻元件、測溫線路、支承與保護(hù)殼體等組成。這類溫度表多由金屬錳、鎂、鉆、鎳、鐵等的氧化物混合體制成。例如二氧化欽一氧化錳、氧化鎳一氧化錳等混合物。改變這些成分含量比例,可改變其電導(dǎo)率、電阻溫度系數(shù)及其它特性。其特點(diǎn)為:(1)熱敏電阻的溫度系數(shù)約為金屬的10倍,所以有很高的靈敏度。(2)感應(yīng)元件的熱慣性可以很小,也可以很大,適用測溫范圍廣。(3)探頭也可做得很小和任意幾何形狀,適于不同環(huán)境條件下使用。(4)本身阻值高,靈敏度大,可相應(yīng)減小延引導(dǎo)線溫度變化及線路中接觸電阻等引起的誤差,適用于遠(yuǎn)距離遙測。(5)檢定曲線非線性,測溫特性的時(shí)間穩(wěn)定性差,可進(jìn)行線性補(bǔ)償后使用。

5、(6)每個(gè)熱敏電阻特性不同,一致性差,互換性不好,但有的單位已經(jīng)解決了這個(gè)問題。方案三：利用熱電偶溫差電效應(yīng)制成的溫度表 熱電偶溫度表兩種不同的金屬導(dǎo)體,其兩端焊接成一閉合回路,兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí),回路中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢,溫差越大,熱電動(dòng)勢也越大。若令一接點(diǎn)保持在已知溫度下,則另一接點(diǎn)的溫度可以根據(jù)回路中的熱電動(dòng)勢與溫差之間的關(guān)系而測出。通常由熱電偶元件、測溫電路、支承及保護(hù)殼體等部分組成。這類溫度表有銅一康銅、錳銅一康銅、鉑一康銅、鐵一康銅、康銅一鉻鎳合金、鐵一秘等溫度表。其特點(diǎn)為:(1)儀器結(jié)構(gòu)簡單,制作和使用也方便。(2)感應(yīng)元件的熱慣性可做得很小和很大,適用范圍寬。(3)根據(jù)需要,探頭也

6、可做成各種形狀,也可做成多點(diǎn)連續(xù)測量的儀器,尤其是能夠很方便直接測量多點(diǎn)間的溫差。方案四：利用電動(dòng)勢變化而設(shè)計(jì)的晶體管溫度表1.硅二極管溫度表利用硅二級管的正向電壓隨溫度和電流會(huì)發(fā)生變化做成測溫傳感器。其靈敏度取決于電流的大小,但在很大范圍內(nèi)是近似常數(shù)。在保持電流恒定時(shí)(一般選擇I=0.5mA),硅二級管的正向電壓與溫度之間具有良好的線性,通常硅二極管在溫度為0一40范圍內(nèi),可以做到偏離線性約土0.1,但隨溫度的增大,其溫差也增大。2.鍺二級管溫度表利用鍺二級管測溫時(shí),其靈敏度可達(dá)一2.3mv/。應(yīng)選用熱傳導(dǎo)性高、滯后小的二級管,由于其靈敏度較熱敏電阻低,在測量時(shí),往往采用放大電路。為使通過測

7、溫用二極管上的功率達(dá)到毫瓦水平,要求輸入二極管的阻抗高,輸人放大器的阻抗更高。通常用場效應(yīng)運(yùn)算放大器。方案五：利用物體表面的輻射原理測定表面溫度的紅外測溫儀由物體的溫度輻射而產(chǎn)生的電磁波能量與溫度間的函數(shù)關(guān)系,通過測量輻射能量,可求得溫度的儀器為依溫度輻射電磁波的波長,在氣象上所用溫度范圍,在紅外部分有敏感波段。BAO一1型紅外測溫儀敏感元件采用ZM秘一銻熱電堆,澳化鉀濾光器透過6.0一16.0拌m的紅外輻射,整個(gè)探頭封裝在充有氫或氮?dú)獾慕饘俟軞ぶ?其視場達(dá)95。小球狀熱敏電阻封裝在管殼底部以測熱電堆的“冷”接點(diǎn)溫度。為增大熱慣性,將探頭裝在厚銅帽中,再接上手柄,探測器通過軟導(dǎo)線與微機(jī)相聯(lián),由

8、數(shù)字顯示溫度值。其特點(diǎn)為:(1)需注意各種物體輻射率的差異及長波輻射被水汽、二氧化碳吸收等因素。(2)防止短波輻射進(jìn)人傳感器及消除環(huán)境輻射的影響。(3)還需對儀器本身的輻射進(jìn)行補(bǔ)償或控制。(4)系非接觸測量,其結(jié)果代表了儀器視場范圍內(nèi)的平均表面溫度,測量速度快,代表性好。 綜上所述：根據(jù)每個(gè)方案的特點(diǎn)及其適應(yīng)性，選擇方案二的第二種熱敏電阻溫度表來測量大氣溫度。二、方案總體設(shè)計(jì)1 、原理分析與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。金

9、屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即Rt=Rt01+（t-t0）式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0）時(shí)對應(yīng)電阻值；為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為Rt=AeB/t式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍只有-50300左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200500范圍內(nèi)的溫度測量，其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。其測量原理結(jié)構(gòu)圖如下： 2、理論分

10、析 溫度測量模塊主要為溫度測量電橋，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，但該電壓很小。經(jīng)過集成放大器放大，將放大后的信號輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。3、系統(tǒng)硬件原理該溫度傳感器系統(tǒng)硬件原理圖如圖11所示，由熱電阻傳感器測的外界溫度，經(jīng)過信號放大，然后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換，將原有的模擬信號轉(zhuǎn)換為可以貝單片機(jī)識別和運(yùn)算的數(shù)字信號，然后在通過軟件編程通過顯示電路顯示出來當(dāng)前所測得的溫度。 它的各部分電路說明如下： （1）測溫模塊：該部分電路主要使用測溫電橋，當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋處于不平衡

11、狀態(tài)，從而輸出不平衡電壓，為測溫的基礎(chǔ)。 (2)信號處理部分：該部分電路包括電壓信號的放大和AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換，以及硬件濾波。(3)單片機(jī)部分：本實(shí)驗(yàn)采用8051單片機(jī)，其工作在最小模式下，主要任務(wù)有：控制AD0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、形成必要的時(shí)序、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以及控制數(shù)碼管顯示。(4)電源電路部分：該部分電路負(fù)責(zé)將輸入的9V12V直流電，分別轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的9V、5V、-9V直流電，給傳感器，放大電路，單片機(jī)，AD0809等供電。 (5) 顯示電路： 顯示電路的作用是將測量的溫度利用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來三 、硬件電路設(shè)計(jì)1、測溫電橋 測溫電橋如下圖所示

12、，熱敏電阻RT和RA1，RB1，RC1，以及可變電阻R2組成一個(gè)測溫電橋，在溫度為20度時(shí)，調(diào)節(jié)R2使電橋達(dá)到平衡。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出的不平衡電壓，經(jīng)過濾波后，輸入運(yùn)算放大器，進(jìn)行放大處理。圖3.1 電橋電路2、放大電路 最后經(jīng)過放大部分，如下圖，為壓力傳感器的微弱電壓輸出的放大電路。分析它是一個(gè)差分放大電路,DR/R因?yàn)楹蜏囟萒有一定的線性關(guān)系，A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓為5v,因此對應(yīng)A/D輸出的電壓，與熱敏電阻感知的外界溫度具有一定的線性關(guān)系。圖3.2 放大電路3、傳感器電路模塊測溫電橋及信號放大電路圖3.3 測溫電橋和放大電路上圖是一個(gè)比

13、較常用的溫度測量電路，大致分為電源，電阻電橋，運(yùn)放，輸出部分。電源由R4，R6，C1，U1B組成，R4，R6為分壓電路，C1主要濾除VCC中紋波，U1B為LM324運(yùn)算放大器，工作于電壓跟隨器方式，其特點(diǎn)是具有高輸入阻抗低輸出阻抗，為后級電橋提供較穩(wěn)定的電流。電橋由R1，R2，R3，R13及熱敏電阻組成，通過調(diào)節(jié)R13使電橋平衡，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻變化，電橋產(chǎn)生電壓差。運(yùn)放電路由R7，R8，R9，R10及U1A組成，調(diào)節(jié)R14可以調(diào)節(jié)輸出電壓幅值。D1主要用于防止輸出負(fù)電壓，保護(hù)后級A/D電路。4、A/D變換電路模塊ADC0809,是M美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐

14、次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。1主要特性：（1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位（2）具有轉(zhuǎn)換啟停控制端（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us(時(shí)鐘為640kHZ時(shí)），130us(時(shí)鐘為500KHZ時(shí)）（4）它由單一+5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，ADC0809可對0V5V的雙極性模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（5）引腳圖如圖4.2.1 所示。各引腳功能說明如下：IN0IN7:8路模擬量輸入引腳。 CCV：+5V工作電壓。&

15、#160;GND：地。 REF（+）：參考電壓正端。 REF（）：參考電壓負(fù)端。 START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號輸入端。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。以上兩個(gè)信號用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳。開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。 OE：輸出允許控制端。用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時(shí)鐘信號輸入端。 ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通IN0IN7 8個(gè)通道的一個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3.4 ADC0809各引腳圖四、 小結(jié)數(shù)據(jù)采集及顯示數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)的核心。主要用來調(diào)

16、整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進(jìn)制數(shù)向十進(jìn)制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。系數(shù)轉(zhuǎn)換在IN0輸入的數(shù)最大為5V，要求壓力80N對應(yīng)的是5V，為十六進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)進(jìn)行一定倍數(shù)的變換，并用小數(shù)點(diǎn)位置的變化體現(xiàn)這一過程。數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進(jìn)制數(shù)制中，每向左移一位表示數(shù)增加兩倍。要求壓力80N對應(yīng)的是5V，而溫度與電壓的變換是線性關(guān)系，對應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的輸出為八個(gè)1，當(dāng)有一定的壓力值輸入時(shí)，對應(yīng)這個(gè)關(guān)系轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼送入P0口。然后再反過來應(yīng)用這個(gè)變化關(guān)系，經(jīng)最終得到的數(shù)值進(jìn)行二進(jìn)制到BCD碼轉(zhuǎn)化，然后逐位在LED數(shù)碼管上顯示。六、參考文獻(xiàn)1 李亞伯等編著，數(shù)字電路與系統(tǒng)，北京：電子工業(yè)出版社，2001年6月出版130-150 2 李雙慶等編著，常用半導(dǎo)體器件簡明手冊，北