感温元件测试台的设计制作(毕业论文).doc

1、目 录摘要 .1ABSTRACT.21 绪论 .11.1 设计的目的和意义 .11.2 感温元件测量在生产生活中的应用及意义 .11.3 国内外相关技术发展概况 .21.3.1 温度传感器及感温元件发展现状 .21.3.2 数据采集及传感器测试技术现状 .22 方案的论证及设计 .42.1 方案的论证 .42.2 方案的设计 .73 感温元件测试台系统的设计 .93.1 测试台总体设计要求 .93.2 测试台总体设计方案 .93.3 测试台硬件电路设计 .133.3.1 STM32F101C4 的主板设计 .133.3.2 集成运放 AD620 的电路设计 .153.3.3 采样电路设计 .1

2、73.3.4 宇电 AI-519 型 PID 连接电路设计 .183.3.5 AIBUS 通讯协议说明（V7.0） .213.4 测试台系统软件设计 .263.5 测试台操作步骤 .264 结 束 语 .29致谢 .30参考文献 .311摘要在铁路运输中，油箱温度是影响运输安全的一个重要因素，铁路系统常采用温度传感器对油箱缸盖温度进行实时监控。传感器由于长期使用,在使用中都会存在时漂、温漂或者某些参数发生变化的现象，这将导致传感器灵敏度、零位发生较显著的变化。为保证传感器满足测量精度，本方案设计感温元件测试台测定传感器的性能参数及能否正常工作。本设计首先通过 PID 智能仪表加热封闭腔体、测定

3、腔体实际温度，并实时反馈给上位机电脑，然后以 STM32F101C8 单片机系统为核心的采样电路、测量电路获取温度传感器电阻随腔体温度变化的趋势，由单片机处理后将信息也反馈给上位机电脑。上位机同时显示 PID 所测腔体实际温度和温度传感器电阻变化趋势，通过与给定的标准传感器电阻变化曲线对比可以确定该传感器的性能。本系统最大的特点是测量准确、结构简单、调试使用方便、性价比高，可以单独使用，也可以和上位机电脑连接，因此具有一定的应用前景。关键词：油箱缸盖温度 温度传感器 测量电路 性能标定2ABSTRACTThe temperature of the tank in the train is an

4、 important factor in the safety of rail transport, the railway system often adopt temperature sensor to monitor the temperature of the tank. But because of the deterioration of the device temperature sensor will reduce performance in long term. So this scheme is a temperature sensor instrument who c

5、an monitor the aging degree of the sensor .The core of the design is STM32F101C8 MCU, the instrument will heat the temperature of the body cavity and feedback the information to the computer, sampling circuit will get the changes of the resistance in other way, the computer display both the temperat

6、ure of the body cavity and the changes of the resistance, so we can monitor the aging degree of the sensor . The most important features of the scheme is Measure Accurately Simple Convenience and Cheap. It can be used in Separate or be connection with a computer, so it will be useful in the future.K

7、EY WORDS: Tank cylinder temperature Temperature sensor Test circuit Performance calibration311 绪论1.1 设计的目的和意义铁路作为关系国民经济快速发展的枢纽，其运输安全不仅影响着企业本身的生产效率和经济效益，也对社会经济造成重大影响，运输安全是生产系统运行秩序正常，运输设备完好无损的综合表现。其中动力系统中油箱温度是制约运转性能的一项重要因素，过高的油箱温度不仅降低运转效率同时对油箱造成一定的损害。为了准确测量并控制油箱实时温度，常用缸盖温度传感器作为测量仪器，铁路部门制定了相应的铁路非标设备标准以

8、确保铁路运输的安全。本课题以此为依托，设计传感器测试台对德国 KHD 公司产 VDO 系列气缸缸盖温度传感器进行精度测量。1.2 感温元件测量在生产生活中的应用及意义随着信息化技术在生活中各个领域的普及，传感器作为获取信息的媒介得到了显著的发展，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。其中温度测量

9、在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用，有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中位居首位，由于许多物质的特征参数和温度有密切关系，因而温度测量在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中已经起到了广泛应用和发展。为了能够与不断激增的信息量和要求捕获处理信息能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格。因此我们要设计一种廉价、使用方便且测量准确的温度传感器测试系统。随着科学技术的发展，对温度控制需求越加迫切，要求温度传感器向微型2化和集成化方向发展，同时要求传感器性能稳定。对环

10、境温度的控制将直接影响产品质量和产品的成败问题。如发动机的运转效率与油箱温度有直接关系，温度要进行控制，食品贮藏室内的温度直接影响食品的贮藏质量，因此，随着工农业，国防、科技及整个国民经济的迅猛发展，对环境温度的控制和检测越来越受到人们的重视，市场也越来越大。1.3 国内外相关技术发展概况1.3.1 温度传感器及感温元件发展现状传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研究方面起步较晚，科研投资强度偏低，加之科研设备落后，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低。经过近百年的发展尤其是 20 世纪 80 年代模拟集成温度传

11、感器的问世，温度传感器技术正从模拟式向数字式、集成化向智能化、网络化的方向发展。历经模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、智能温度传感器三个阶段的发展过渡，进入 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。新型智能温度传感器在提高测温精度和分辨力，增加测试功能，总线技术的标准化与规范化，可靠性及安全性设计等方面都有显著提高。此外近年来基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代虚拟传感器和网络温度传感器技术研发能力不断提高，极大的促进了传感器向

12、智能化、网络化的发展。1.3.2 数据采集及传感器测试技术现状数据采集技术是信息科学的一个重要分支， 它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。数据采集系统的任务:采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对3某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，数据采集也随之越来越重要。数据采集

13、技术在许多场合，如航天、航空、通信、交通、邮电等都得到了大量的应用。传感器输入信号可以是模拟信号( 如温度、压力、电阻、电压、电流、应变等) ;也可以是数字信号( 如开关状态监测、事件捕获、测频计数等) ，测量结果经模块内部 A / D 转换后用 R S - 4 8 5 通讯方式经屏蔽双绞线送至主计算机进行采集，用户可根据需要采用相应的软件对采集到的信号进行处理。42 方案的论证及设计2.1 方案的论证温度传感器在铁路动力系统油箱温度测定上的使用己达到一定的规模，但要提高大批量传感器的使用效率，一个关键的限制因素是:产品在长期使用之后，由于内部电路元器件老化、使用环境的变化、时漂、温漂或者某些

14、参数发生的变化和部分结构的故障等因素导致传感器各项技术指标下降，这些指标决定该传感器的性能及可用性，更直接影响着铁路运输的安全和铁路设施的维护，因此必须要用相关测试仪器对传感器做定期的技术指标测试。该设计方案所测目标传感器为德国 KHD 公司产 VDO 系列气缸缸盖温度传感器，该传感器为一阻值随温度增大而减小的可变电阻，在工作条件下阻值变化从 58.109K 欧（-40）到 10 欧（250） 。设计要求为测试气缸缸盖温度传感器在 50到 200左右的阻值变化，并与厂商所给资料对比判断温度传感器的好坏。本设计方案用于测量铁路系统客运专线油箱气缸缸盖温度，传感器尺寸如图 2.1.15图 2.1.

15、1VDO 系列温度传感器阻值随温度变化浮动指标如图 2.2.2图 2.2.2由图及参数可知被测传感器为一负温度系数电阻。温度范围-40 度到+250度，测量精度+/-5 度，电阻变化范围 58k 欧到 10 欧，传感器非线性。要测试传感器有两个参数需要考虑，一个是反应时间，另外就是准确度。基于这些考虑给出如下设计思路如图 2.2.36标准温度P C数据采集图 2.2.3系统有 3 部分构成：（1）PC 可控的标准温度产生装置，要求精度（不用太高）+/-1 度即可，因为被测传感器的精度为+/-5 度；（2）数据采集部分，可以称作数据测量部分，需包含数据采样、转换和处理等功能电路，在这里最大要得到

16、 16k 欧电阻变化量，最小 0.7 欧的电阻变化量，并做相应量的转化；（3）PC 控制单元（数据记录，存储，显示，打印，设备主控） ，本方案保证上位机具有控制、显示和对比功能即可；但目前对这些质量技术指标的测试方法及手段存在以下几个问题:（1）被测传感器变化量范围大，温度范围-40 度到+250 度，测量精度+/-5度，电阻变化范围 68k 欧到 10 欧；（2）传感器连接方式存在问题；（3）温度对接点电阻，接点电压的影响可能湮没传感器信号变化；测试方案设想：最好的方式是根据传感器使用环境及其显示仪表来设计。因此需要提供此温度传感器的显示仪表，设计方案如下：（1）PC 机 + 数控恒温油槽 + 高精度数字电压表；（2）PC 机 + 恒温控制系统 + 可自动切换量程的数据单元（自行设计，因其变化范围较大，可选择合适的标准电阻来区分不同的温度量程，需详细计算后得出） ；由此可知与我们想像中传统测量方法有些出入，只能采用 B 方案。需要提