（机械电子工程专业论文）智能石墨纤维热电偶系统设计.pdf

摘要 在现代工业生产中，对温度特别是高温的测量一直是人们研究的重点。同时基于 现场总线的多传感器的计算机测控系统的发展对传感器向智能化方向发展提出了必 然要求。针对舍属热电偶用于高温测量时的材质熔点低、不耐高温、不耐腐蚀等问题， 本文对智能传感器系统的理论进行了深入研究，提出一种基于石墨纤维的新型智能温 度传感器系统，并对其智能化功能、硬件配置和智能化软件进行了全面的设计。其特 点在于： 1 系统采用小型廉价8 位微控制器控制，电路内配置了为实现多功能智能化所 必需的硬件，并全部采用低价格、小体积器件，所有模拟电路集成于一片专用集成电 路a s i c 内，大大缩小了电路板尺寸，从而使整个系统在保证智能化功能的前提下， 具有体积小、成本低、一体化和抗干扰能力强的特点。 2 系统采用新型的石墨纤维做温度传感元件，抗高温、耐腐蚀、价格便宜，并 将信号采集电路与信息处理电路集成一体，克服了传统温度传感元件的缺点，获得体 积小、重量轻、线性好、驱动电路和信号检出电路简单等优点，并更易于和微机控制 相适应。 3 对传感器系统进行了较全面的抗干扰和系统故障自诊断设计，保证了系统的 稳定性和可靠性。采用数字滤波算法，它既具有较好的平滑能力，又具有较快的响应 速度。 4 在对智能传感器系统的智能化功能深入研究的基础上，设计了较为完善的智 能化软件，实现了数字滤波、非线性自校f 、自诊断、温度显示、总线数字通讯等多 种智能化特性，使传感器具有了较高的智能化程度。 本研究设计的智能温度传感器系统具有体积小、成本低、可靠性好、响应速度快、 智能化程度高等特点。 关键词：智能传感器，石墨纤维，温度测量，非线性校正，微处理器 济南大学硕士学位论义 a b s t r a c t i nm o d e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，e s p e c i a l l y i n h i g h t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，h a s b e e na s t u d ye m p h a s e a t t h es a m e t i m e ，w i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，e s p e c i a l l yo ft h es y s t e mb a s e do nf i e l d b u sw i t h m u l t i 。s e n s o r t h ei n t e l l i g e n ts e n s o ro rs m a r ts e n s o k a san e wr e s e a r c hf i e l d i s a t t r a c t i n g m o r ea n dm o r e p e o p l e s a t t e n t i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g s o fm e t a l t h e r m o c o u p l ew i t hl o w m e l t i n gp o i n t ，e a s y c o r r o d e dp o i n t e s ，an e w i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e s e n s o r s y s t e m i s p r o p o s e da n di t sd e s i g no fi n t e l l i g e n tf u n c t i o n sa n dh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r ea l s od e s c r i b e di nd e t a i l 1 as m a l ja n d c h e a p 8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e rj su s e da sc o n t r o lc o r e a l lc o m p o n e n t so f t h es e n s o r , s o m eo fw h i c ha r e n e c e s s a r y f o rt h e m u l t i p l ea n di n t e l l i g e n tf u n c t i o n s ，a r e s e l e c t e do n e sw i t hl o wc o s ta n ds m a l l p a c k a g e i n t e g r a t i n g a l l a n a l o g c i r c u i t si na n a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ( a s i c ) ，t h es i z eo fp c bb o a r di sg r e a t l yr e d u c e d t h ei n t e l l i g e n t s e n s o rt h e no b t a i n st h ea d v a n t a g e so fs m a l ld i m e n s i o n ，l o wc o s ta n d h i g h e ra n t i d i s t u r b a n c e a b i l i t y 2 an e wk i n do f m a t e r i a l g r a p h i t ef i b r ei sa p p l i e da st h es e n s o r i n d u c t i v ec o m p o n e n t f o r h i g ht e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tw h i c hi s c h e a p a n t i h i g h ，t e m p e r a t u r e a n d a n t i c o r r o d e d i to v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a li n d u c t a n c es e n s o l a n dh a s a d v a n t a g e s o fs m a l l s i z e ，l i g h ti nw e i g h t ，b e t t e rl i n e a r i t y , l o n gl i f e ，h i g h e r 丹e q u e n c yr e s p o n s e p r o p e r t ya n ds i m p l ed r i v i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，e t c 3 a n t i d i s t u r b a n c ea n ds y s t e ms e l f - d i a g n o s i so ft h es e n s o rh a v eb e e nw e l ld e s i g n e d t h e r e f o r et h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t ya r eg u a r a n t e e d ak i n do f d i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h mi s a p p l i e dh e r e t h ep e r f o r m a n c eo fn o to n l yb e t t e rf i l t e r i n g b u ta l s of a s t e rr e s p o n s ei st h e n o b t a i n e d 4 b a s e do nd e e p l yr e s e a r c hf o rt h ei n t e l l i g e n tf u n c t i o n so ft h es e n s o r , t h es e n s o r s i n t e l l i g e n ts o f t w a r ew i t hb e u e rq u a l i t yi sd e s i g n e d s o m ei n t e l l i g e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s a u t o m a t i c g a i nc o n t r o l ，a u t o m a t i cn o n l i n e a r i t y c a l i b r a t i o n ，d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n b y f i e l d b u s ，e t c h a v eb e e nr e a l i z e d ，w h i c hm a k e st h es e n s o rh a v e h i g h e r l e v e lo f i n t e l l i g e n c e t h ei n t e l l i g e n ts e n s o rf o r m e a s u r i n gt e m p e r a t u r ed e s i g n e d i nt h i s p a p e rh a st h e a d v a n t a g e so f s m a l ls i z e ，l o w c o s t ，h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dr e s p o n s es p e e d ，a n dh i g h e rl e v e lo f i n t e l l i g e n c e a f t e ri t h a sb e e nt e s t e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mo fh i g ht e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t ，t h er e s u l ts h o w e st h a ti t s p e r f o r m a n c ei ss a t i s f y i n ga n di t s b r o a df u t u r e a p p l i c a t i o n s i nm a n ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m sf o rh i g h t e m p e r a t u r ec a l l b e e x p e c t e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n ts e n s o r ，g r a p h i t ef i b r e ，t e m p e r a t u r em e a s u r i n g ，n o n l i n e a r i t y c a l l b r a t i o n ，m i c r o e o n t r o l l e r l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 、移 论文作者签名： 啦函 日期：2 q q 堇1 5 ：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：骣导师签名 论文作者签名： 遗二滗 导师签名 ， 、o 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 自动化系统的发展对测控系统的要求 在以信息技术为主导的现代化新技术领域，信息采集技术、信息处理技术和通信 技术结合在一起，共同构成信息系统。传感技术是信息采集技术的主干内容，而传感 器是传感技术的具体应用，它把被测量( 多为非电量) 转换为与其有确定对应关系的 电量以满足信息的传递、处理、记录、显示与控制，是实现自动监测和自动控制的首 要环节。传感器为测控系统提供赖以进行信息处理和决策所必需的原始信息，对系统 的性能起着决定性的作用，是工业自动化、科学测试、计量核算、监测诊断等系统中 不可缺少的基础环节，在军事、科研、工农业、商业、交通、环保、气象、海洋、航 空航天等众多领域得到了广泛应用。可以说，没有传感器对客观对象的特征参数进行 精确可靠的测量，就没有精确可靠的自动监测和控制系统【i 2 ，3 l 。 任何一个自动化测控系统都包含三种基本功能模块：传感器、控制器和执行器。 传感器检测被控对象的状态及其相应的被控物理参量并及时返送给控制器；控制器将 来自传感器的信号与参考输入量进行比较，报据两者偏差的方向和程度，按某种控制 规律产生相应的控制量并传送给执行器；执行器依据控制器的命令对被控对象进行操 作，使其状态及被控物理参量趋向于期望值。 图1 1自动化测控系统框图 由图1 1 可见，被控对象的状态和被控物理参量以及它们受控制量作用后的变化 情况都需由传感器感知，控制器的控制决策也是建立在传感器的检测信息基础之上， 所以传感器性能对整个系统的质量至关重要，它必须与系统的性能及应用要求相适 应。传感器性能的提高有利于提高系统的测控质量，而测控系统的发展及应用要求的 提高又对传感器提出更高要求。 自二十世纪五十年代以来，自动化测控系统引入了计算机控制技术，控制器由计 算机担任而发展成为计算机测控系统，信息处理能力大大增强。采用计算机控制为系 统性能的提高奠定了基础，各种难以在模拟测控系统中实现的先进的信息处理和控制 策略容易通过软件编程实现并便于修改，不同于模拟量处理的数字信号处理方式提高 了信息处理的精度、抗干扰性和可靠性；在测控软件中加入智能算法则能构成智能测 控系统，有利于大幅提高测控质量，这些都是模拟测控系统望尘莫及的。计算机数字 信息处理方式要求输入数字量形式的传感信息，但由于传感器发展缓慢，基本还停留 在传统的模拟传感器阶段，系统采用此类传感器时，为使计算机能接受传感器的测量 信息，设置了采样保持电路及模数转换器作为传感器与计算机之问的接口。在计算 机控制下，采样，保持电路轮流采集传感器送来的模拟信号，经模数转换器转换为对 应的数字信号后送入计算机处理。系统的一般结构如图1 2 所示。在这种情况下，不 仅因传感器性能不佳使系统未达到应有的水平，而且计算机需先把所有传感器送柬的 模拟信号分别转换为数字信号后才能识别，还要对每个传感信号进行滤波、传感器特 性校诈、量纲变换等运算，用于传感信息预处理的工作量相当大。另外，出于传感器 输出的模拟信号只能用单独的信号线传输，从图1 2 可见，工控机与被控设备之间依 靠大量且具有相当长度的模拟信号线相联，这些信号线不但易受干扰，还造成现场御 线复杂困难，线路费用大幅上升，可靠性难于保证。所以系统虽然采用了计算机作为 测控核心，但模拟式传感器的特性制约了系统性能的进一步提高。 图1 2 计算机测控系统 随着工业生产和测控技术的发展，被控对象中需要的测控点和测控参数越来越 多，自动化测控系统规模不断扩大，复杂程度、测控精度和可靠性要求不断提高，控 制策略不断改进，使用的传感器数量和类型也不断增加，不再象以往简单系统那样仪 使用单一传感器，而需配置多台传感器才能完成测控任务。例如，钢铁厂需要同时对 多个气体罐进行温度监测。飞机中则更是使用大量的传感器来完成测控任务。在多传 感器的多点多参数高性能计算机测控系统中，往往要对多传感器信息综合后才能作出 f 确的控制决策，其运算量大且复杂，而如人工神经网络控制、专家系统控制、基于 模式识剐的智毹控制、模糊控制、自学习控制等一些先进复杂的智能控制算法的应用 也需要很大的运算量。在图1 2 结构的系统中，计算机除进行这些运算外，还需花费 相当多的时间用于传感器信号的预处理，这势必大大加重计算机的负担，降低测控效 率，使多传感器信息融合及智能控制算法难以实现，高速系统中的实时测控难以胜任， 并且由于传感器的低性能更使系统的测控精度和可靠性难以满足应用要求。计算机控 制与信息处理的优越性无法充分体现。 为适应多点多参数的高性能测控，二十世纪八十年代以来，出现了基于现场总线 的分碲式测量和控制系统，这是自动化领域的又一次重大变革。它采用条传输数字 信号的现场总线来连接传感器、执行器和测控计算机，取消了模拟信号传输线，所有 现场设备和测控计算机都挂在现场总线上，相互之间通过数字通讯联系，同时还采用 数据的预处理和管理职能分散下放到现场装置的原则。这就要求现场总线上挂接的传 感器必须具有数字通讯能力和智能即要求传感器不仅能检测信息，而且具备较为完 善的信息处理、数字通讯和自主管理能力，其典型结构如图1 3 所示。现场总线是现 场总线控制系统的基础，它使用一对简单的双绞线传输通讯信号，是一种全数字化、 串行、双向、多站的通讯网络。这种结构由于采用数字信号通讯取代原来的模拟信号 传输，进一步提高了可靠性和抗干扰能力；总线结构可以大大削减现场与控制室之间 一对一的连接导线，节约初期安装费用，简化整个系统的布线和设计，并使系统易于 扩充；传感器智能化将在很大程度上减轻测控计算机的传感信号处理压力。从而大大 提高测控性能和效率，真正体现出计算机控制的优越性。因此，基于现场总线的分布 式测量和控制系统对传感器提出了数字化、智能化、具有现场总线通讯能力的要求。 由上可见，随着自动化测控技术的发展，以往模拟式传感器的性能与测控系统发 展及应用要求之间的矛盾日益突出，特别是如今基于现场总线的分布式测量和控制系 统对传感器的性能提出了更高的要求。 济南大学硕上学位论文 线 图1 3 现场总线分布式测量和控制系统 1 2 智能传感器的发展及研究现状 1 2l 传感器技术的发展，6 ，7 ，8 】 传感器的研究始于二十世纪三十年代，它以材料的物理、化学和生物理化效应为 基础，是研究非电量信息与电量间转换的- f 7 跨学科的边缘技术科学。早期设计的传 感器一般由传感元件和信号调理与转换电路组成，传感元件获取被测量并输出与其有 确定函数关系的电参量，信号调理与转换电路将该电参量经简单调理后转换为模拟信 号输出，模拟量的幅值及极性代表了被测量，它采用模拟电子电路组成，只能进行信 号调理，基本不具备信息处理能力和自我管理能力，这就决定了传感器不同程度的存 在输入一输出特性具有一定的非线性且随时间漂移、参数易受环境条件变化的影响而 漂移、信噪比低而易受噪声干扰，交叉灵敏度难以克服而使选择性及分辨率不高等问 题，导致传感器性能不稳定、可靠性差、精度低。并且由于传感器不具备自我管理能 力，一旦发生故障，测控系统难于判别其输出信号的真伪，从而影响整个系统的可靠 性。 随着测控技术的发展，计算机成为了控制核心，同时也推动了传感技术的发展， 主要体现在：一是大力改进传统传感器的性能，采用高精度高稳定度的元器件以及各 种校f 电路，使传感器特性得到了一定的改善；二是采用数字化仪表作为传感器与计 4 智能石罄纤维热电偶系统设计 算机之i 自j 的接口，将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的预处理后再传 送给计算机，这样，虽然在一定程度满足了计算机测控系统对信息采集系统高精度和 数字化的要求，但由于来把传感器与数字化仪表作为一个整体设计，致使对传感器元 器件的要求提高、电路复杂化、信息采集系统的体积增大，安装困难及传感器与数字 化仪表间仍以模拟信号联系等问题。 当计算机测控系统发展到基于现场总线的分布式测量时，对传感器提出了数字 化、智能化的要求后，传统传感器已不再与系统相适应。基于现场总线的分布式测量 和控制系统要求传感器输出的数字信号具备较强的信息处理和自我管理的能力，以实 现信息的采集与信息的预处理下放到现场，减轻控制计算机的数据处理负担和提高整 个测控系统的可靠性，而计算机则着重于信息的高层次加工和处理，便于在现有硬件 系统条件下大幅提高系统的性能，简化系统的结构，此时，智能传感器应时而出。 i 2 2 智能传感器 1 2 2 1 智能传感器简介 智能传感器系统是一门正在蓬勃发展的、涉及微机械与微电子技术、计算机技术、 信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合 性技术，是当今世界正在发展的高新技术】。 早期人们机械的强调将传感器与微处理器两者紧密结合，简单片面地认为只要在 工艺上将传感器与微处理器两者结合、将敏感元件及信号调理电路与微处理器集成在 一块芯片上就是智能传感器。后来随着以传感器系统发展为特征的传感器技术的发 展，人们逐渐发现传感器若没有赋予足够的智能的结合，只能说传感器微机化。于是 进而认为成为智能传感器的关键是传感器( 通过信号调理电路) 与微处理器，微型计算 机赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理的功能。这种说法突破了传感器与微处 理器结合必须在工艺上集成在一块芯片上的框框。 另一方面，工业现场总线控制系统中的传感变送器，都是带微处理器的智能传 感变送器，它们是体形较大的装罱。随着人工智能技术在智能传感系统中的应用， 有的学者更进一步强调了其智能化功能，认为“一个真正意义上的智能传感器，必须 具备学习、推理、感知、通讯，以及管理等功能”，这相当于要具备一个知识与经验 丰富的专家的能力。 1 2 2 2 智能传感器的功能 智能传感器的功能概括起来主要有七个方面： 1 ) 具有自校零、自标定、自校正的功能 2 ) 具有自动补偿的功能 3 ) 能够自动采集数据，并对数据进行预处理 4 ) 能够自动进行检验、自选量程、自寻故障 5 ) 具有数据存储、记忆与信息处理的功能 6 ) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能 7 ) 具有判断、决策处理功能 目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感 元件，检测物理鼍的变化，而智能传感器则包括测量信号调理( 如滤波、放大、a d 转换等) 、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能 传感器的功能已延伸到仪器的领域。 随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人 工智能、信息处理技术( 如传感器信息融合技术、模糊理论等) ，使传感器具有更高级 的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能，可以完成图象识别、特征检测、 多维检测等复杂任务。 1 2 2 3 智能传感器的特点 与传统传感器相比，智能传感器的特点是： 1 ) 精度高智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如；通过自动校零去除零点。 可靠性与稳定性好智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后 所引起的系统特性的漂移。 3 ) 信噪比高、分辨力强由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能通过 软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，将有用信号提取 出来。 4 ) 自适应性强智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况 决策各部分的供电情况和高上位计算机的数据传送速率，使系统工作在最优低功耗 状态和传送效率优化的状态。 5 ) 价格性能比低智能传感器所具有的功能靠集成电路工艺和芯片以及强大的软件 束实现的，因此。其价格性能比低。 6 智能石墨纤维热电偶系统设计 1 2 2 4 智能传感器实现途径 目酊，智能传感器的实现是沿着传感技术发展的三条途径进行的： ( j ) 非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器采用非集成化工艺制作的传感器( 仅 具有获取信号的功能) 、信号调理电路、带数字总线接口的微理器组合为一个整体而 构成的智能传感器系统。 ( 2 ) 集成化实现 这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用 硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路，以及微处理器单元，并把它们集成 在一块芯片上构成的。这样，使智能传感器达到了微型化，小到可以放在注射针头内 送进血管测量血液流动情况，使结构一体化，从而提高了精度和稳定性。敏感元件构 成阵列后，配合相应图像处理软件。可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时 的智能传感器就达到了它的最高级形式。 ( 3 ) 混合实现 要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题。根据需要与可能， 可将系统各个集成化环节( 如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接 口) 以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。 1 2 2 5 智能传感器的信息处理 实现传感器各项智能化的功能和建立智能传感器系统，是传感器克服自身不足 获得高稳定性、高可靠性、高精度、高分辨率及高自适应能力的必由之路。传感器与 微处理器微计算机赋予智能的结合所实现的智能传感器系统，都是在最少硬件的基 础上采用强大的软件优势“赋予”智能化功能的7 1 。 i 2 2 6 智能传感器的通讯 智能传感器和现场总线是组成f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 的两个核心部分。现 场总线技术是在仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的，它是计算机技术、网 络技术和控制技术发展的产物。按i e c i s a 定义，现场总线是连接智能现场设备和自 动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是支持全数字 通信。现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，以此实现各智能传感 器之问及智能传感器与主控机之间的数据通信。将智能传感器赋以通信功能之后主控 7 系统以现场总线为纽带，把单个分散的智能传感器变成网络节点，智能传感器中的数 据处理有助于减轻主计算机的工作负担，同时又可降低对网络数据通信带宽的要求。 经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理( 主要 是系统优化、管理，而不是承担基本的控制任务) ，使系统出面到点，再由点到面， 对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容错能力。这样就把各个智能传感 器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系统，能更好地 体现d c s 中的“信息集中，控制分散”的功能，提高了信号传输的准确性、实时性 和快速性。 1 3 智能温度传感器的研究意义 传感器与微型计算机相结合，导致了传感器的智能化，它不仅具有传统的信号检 测功能，而且引入一般通用数据处理技术、信息处理技术、数据融合技术、神经网络 技术和模糊理论等，使传感器实现自校砸、自补偿、自诊断、自检等功能，从而使传 感器获得高精度、高稳定性、高可靠性及高自适应能力等。国外很早就丌始了对智能 传感器的研究，目前已有多种智能传感器系统问世，并在工业过程控制中获得成功应 用。 智能温度传感器( 亦称数字温度传感器) 是在2 0 世纪9 0 年代中期问世的。智能 温度传感器特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器( m c u ) ， 并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的 开发水平。 在2 0 世纪9 0 年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8 位a d 转换器， 其测温精度较低，分辨力只能达到l 。目前，国外己相继推出多种商精度、高分辨 力的智能温度传感器。所用的是弘1 2 位d 转换器，分辨力般可达o 5 0 0 6 2 5 c 。 目前智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化。所采用的总线主要有单 线总线、1 2 c 总线、s m b u s 总线和s p i 总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接 1 2 t 与主机进行通信，兼有抑制串模干扰能力强，分辨力高、线性度好、成本低等优点。 但在国内，小体积、低成本、高智能的智能高温传感器系统还未见报道。而在现 代工业生产中，对温度特别是高温的测量一直是人们研究的重点。人们发明了许多测 8 温仪器和测温方法，在众多的高温测量方法中，b 型铂铑热电偶以测温精度高、用效 好等优点得到了广泛应用。热电偶用于高温测量的困难，一是要求热电极材料不但能 承受所感测的温度，而且还能在高温下具有良好的理化性能；二是要求高温耐火材料 高温下保持足够的机械强度，要求保持良好的电绝缘性；三是目前使用的各类热电偶 无法实现强蚀环境下连续高温测量。这些因素导致无法建立温度场，无法直接进行温 度控制，不得不采用间接温度控制，从而使我国的能源浪费极大。因此采用高新技术 革新温度检测与控制技术，从而改造、提升传统产业，达到节能降耗、提高生产率和 产品质量，具有重要的社会意义和经济意义。 而国内在此方面的研究主要集中在热电偶的保护套管材质的研究改进，对敏感元 件的研究成果却不明显。同时在现代工业生产中，需要的测控点和测控参数越来越多， 要求传感器不仅具有智能的功能，而且要基于现场总线。因此，研究一种性能更好、 低成本、小体积、能够基于现场总线具有通讯功能的智能高温传感器具有重要的意义。 1 4 智能石墨纤维热电偶系统的总体设计 1 4 1 热电偶的测温原理及常用材料8 ”1 热电偶是根据热电效应测量温度的传感器，是温度测量仪表中常用的测温元 件。将不同材料的导体a 、b 接成闭合回路( 图1 4 a 热电偶原理图) ，接触端的一 端称测量端，一端称参比端。若测量端和参比端所处温度t 和t 0 不同，则在回路的 a 、b 之问就产生一热电势e 。b ( t ，t o ) ，这种现象称为塞贝克效应，即热电效应。e 。b 大小随导体a 、b 的材料和两端温度t 和t o 而变，这种回路称为原型热电偶。在实 际应用中，将a 、b 的一端焊接在一起作为热电偶的测量端放到被测温度t 处，而 将参比端分丌，用导线接入显示仪表，并保持参比端接点温度t 0 稳定( 图1 4 b ) 。 显示仪表所测电势只随被测温度t 变化。 2 1 、1 热电偶同其它种温度计相比具有如下优点： 热电偶可将温度量转换成电量进行检测，所以对于温度的测量、控制，以及对温 度的放大、变换等都很方便。 结构简单制造容易，价格便宜。 惰性小，准确度高，测温范围广。 9 能适应各种测量对象的要求( 特定部位或狭小场所) ，如点温和面温的测量。 适于远距离测量与自动控制。 t 嗣重州 ab 图1 ，4 热电偶原理图 1 ，4 2 智能石墨纤维热电偶课题背景 在现代工业生产中，对温度特别是高温的测量一直是人们研究的重点。人们发明 了许多测温仪器和测温方法，在众多的高温测量方法中，b 型铂铑热电偶以测温精度 高、用效好等优点得到了广泛应用。热电偶用于高温测量的困难，一是要求热电极材 料不但能承受所感测的温度，而且还能在高温下具有良好的理化性能；二是要求高温 俐火材料高温下保持足够的机械强度，保持良好的电绝缘性；三是目前使用的各类热 电偶无法实现强蚀环境下连续高温测量。这些因素导致无法建立温度场，无法直接进 行温度控制，不得不采用间接温度控制，从而使我国的能源浪费极大。因此采用高新 技术革新温度检测与控制技术，从而改造、提升传统产业，达到节能降耗、提高生产 率和产品质量，具有重要的社会意义和经济意义。 而国内在此方面的研究也主要集中在热电偶的保护套管材质的研究改进上，对敏 感元件的研究成果却不明显。同时在现代工业生产中，需要的测控点和测控参数越来 越多，要求传感器不仅具有智能的功能，而且要基于现场总线。因此，研究一种性能 更好、低成本、小体积、能够基于现场总线具有通讯功能的智能高温传感器具有重要 的意义。 石墨纤维热电偶是利用热电效应进行温度测量的非会属热电偶。做为其热电极的 1 0 舻 众 石墨纤维呈线性黑亮体，柔软可挠，质轻不娇。在制各石墨纤维热电偶的高温处理中， 使难于石墨化的碳纤维烧制成高度石墨化微观结构发育完善、晶形稳定的石墨纤维， 不存在再结晶的发生，使石墨纤维热电偶在使用温度低于烧成温度下的应用中热电性 能十分稳定，测温精度很高。此外，在高温测量中石墨纤维热电偶有着铂铑热电偶无 可比拟的优势： 埘高温。在高温还原气氛中具有很大的应用优势。弥补了铂铑热电偶的不足。 材质极抗腐蚀。尤其在高温应用中不怕熔融金属、熔渣、液体酸、碱、盐及 硅、硫、氟等元素气体的强蚀作用。因此自古以来人们用炭素涂料做防腐剂。 原材料成本低。还有耐老化、不脆断、灵敏度高、冷端不需补尝、用时不丢失。 而这些f 是铂佬热电偶所不具备的。 因此用石墨纤维做热电偶可以克服铂铑热电偶的三大弊端：a ) 材质溶点低、不耐 高温；b ) 性能娇贵，不耐腐蚀，在高温应用时，因热电偶的保护套管经常损坏，使昂 贵的铂铑热电极很快被熔融金属、炉渣、酸、碱及硅、硫等腐蚀性较强气体腐蚀坏； c ) 资源短缺，成本昂贵。 1 ，4 3 系统总体结构”_ ”1 智能石墨纤维热电偶系统采用低价格、小体积、具有高性能价格比的8 位单片微 控制器( 单片机) 控制，用软件实现传感信息的预处理、数字通讯和智能化管理。用 石墨纤维做热电偶，模数转换采用1 2 位精度的a d 转换器以保证智能温度传感器系 统具有较高的精度和较快的响应速度；传感元件的驱动电路、信号检出电路、放大滤 波电路等均设计在一片a s i c 集成电路芯片内以提高抗干扰能力。控制电路板设计尺 寸很小，从而使整个智能位移传感器系统结构小巧，在现场易于安装。 1 4 4 石墨纤维热电偶智能化工作原理 将热电偶所测得的微弱电信号放大后，经a d 转换为数字信号送入微处理器， 依靠丰富和灵活的软件对输入数据进行处理，如数字滤波、误差补偿、非线性自校f 等。同时将调理电路、a d 转换、微处理器采用集成模块的形式，并配置一数字通信 模块通过现场总线以标准通信协议将所测数据传输至控制器从而实现温度传感器、 济南大学硕1 学位论文 执行器之间信息的对等交换，根据需要，由温度调节机构实现对温度的自动调节。 智能石墨纤维热电偶的基本组成如图l ，5 所示： 图1 5 智能l i 墨纤维热电偶的组成| 鳘l 1 4 5 智能石墨纤维热电偶的特点 1 ) 传感信号的预处理电路与数据处理电路采用一体化设计，模拟信号走线很短并由 其本身的会属外壳屏蔽，提高了抗干扰能力。而一体化设计方案又使体积缩小，整个 系统采用模块化结构，安装方便。 2 ) 针对石墨纤维的测温特性，采取相应的信息处理算法，使它具有很高的校正精度。 3 ) 全部元器件选用超小型元件，如微控制器、a d 转换器等，大大缩小了电路板的 尺寸，使传感器的整体体积进一步缩小。 4 ) 由于采用智能化设计，对系统内元件的要求不高，大多数可使用低价格的普通元 件，要求的高精度及高稳定性由智能信息处理及智能管理软件来保证，所以它成本较 低。 5 ) 符合智能传感器系统特点的设计，使它能适应基于现场总线的分布式计算机测控 系统，并具有智能传感器系统的诸多优点。 1 5 本论文的主要内容 本文在对常用的温度传感器结构及性能、智能传感器系统的理论及实践进行研究 的基础上，设计了一种用非金属材料石墨纤维做热电偶的智能温度传感器系统，它具 有体积小、成本低、寿命长、量程范围大、智能化程度较高等特点，目的是实现连续 温度测量，满足高温生产的迫切需求，能在高温测量领域发挥巨大的效益。 主要研究内容如下： 1 )根据智能传感器系统的理论和工业领域的实际需要，特别是在高温测量领域， 测量准确、小体积、低成本、具有较高智能的智能传感器系统应用较少，针对石墨纤 维做热电偶传感器件，提出了总体的研究开发方案。 2 )分析了现有各种温度传感元件的优缺点，针对石墨纤维做热电偶的测温特性， 设计了相应的驱动模式和信号检出电路。 3 )进行了较完善的系统硬件设计。采用高性能、低价格、小体积的单片微控制器 进行控制并实现智能化信息处理与自我管理，所有模拟电路集成在片a s i c 芯片内， 全部电路元件采用低价格、小体积器件使电路板尺寸很小，整个系统具有体积小、成 本低的特点，抗干扰能力也较强。在硬件设计中，配置了总线通讯接口。 4 ) 对传感器系统进行了较全面的非线性自校正、抗干扰和系统自诊断等模块设计， 保证了系统的稳定性和可靠性。针对高温信号特性，运用智能滤波算法，获得较好的 滤波效果。 5 ) 针对智能传感器系统的智能化功能，实验了智能传感器与上位机总线的数据通讯 显示。 第二章系统硬件电路设计 信号经传感器采集后，要进行一定的处理才能进行信号转换给单片机以便控制。 这个处理过程即是信号预处理过程。它包括模拟滤波、放大、数模转换、电源、单片 机信号处理和与上位机的通讯等。考虑到现场的复杂性，在整个硬件电路设计过程中， 要尽可能的简单，力求稳定。由于热电偶测得的信号要经过导线传输到预处理电路部 分，而且本智能仪器要面向不同的测温现场，因此测温信号导线端口与仪器之问采用 接口的形式，可以方便的进行连接“。下面对电路的设计进行详细的描述。 2 1 放大与滤波模块“5 “”3 在现场测试过程中，有各种各样的干扰信号。抗干扰设计的任务是消除或减弱 各种无用信号对传感器f 常工作的影响，同时又不损害那些有用信号。智能温度传感 器系统在应用于工业现场的温度测量过程中，由于现场存在着各种干扰，要使传感器 能f 常工作，必须采取强有力的抗干扰措施。 在本系统单片机控制的传感器中，抗干扰设计分为硬件抗干扰和软件抗于扰两 部分。 硬件抗干扰是采用一些物理器件来削弱或消除干扰，可将大多数干扰拒之门外， 给传感器营造一个较为理想的工作环境，它有着效率较高的优点，但要增加硬件成本 和体积。而软件抗干扰则是通过一定的抗干扰算法，从受扰信号中提取出有用信号， 达到抗干扰目的，它仅由软件编程就可实现，通过修改程序能灵活改变抗干扰方式， 但它是以c p u 的开销为代价的，如仅采用软件抗干扰，会严重影响到系统的工作效 率和实时性。因此，在传感器的抗干扰设计中应将硬件抗干扰和软件抗干扰相结合， 相辅相成，获得硬件少、抗干扰能力强的效果。 2 1 1 干扰的形式 智能温度传感器采用微处理器进行控制和信息处理，智能石墨纤维热电偶在测温 过程中面临的干扰主要有： 1 ) 高温测量环境对石墨纤维的强蚀作用，造成石墨纤维的测温性能不稳定。为了保 智能石墨纤维热电偶系统设计 证测量精度，热电偶的输入一输出特性啮线应该是一条直线，也就是说在测量范围内 灵敏度是一个常数。 2 ) 环境对传输导线的影响。出于热电偶输出的电势信号要经过导线传输到仪器接口， 模拟信号很容易受到现场各种强电的干扰，从而引进到温度信号失真。 3 ) 工作环境温度的变化对仪器的性能的影响。任何器件都有一定的工作温度范围， 超出这个范围器件就不能正常的工作( 如放大器易产生漂移) ，从而影响测量的准确 性。 2 1 2 硬件抗干扰措施 在本系统中，为提高智能仪器的抗干扰性，石墨纤维热电偶的保护套管要能经 受住高温、强腐蚀，避免石墨纤维被氧化。本课题采用碳化硅套管并对石墨纤维采用 抗氧化封装，保证其优良的使用性能。传感器的输出线采用屏蔽先来抗干扰能力。 2 1 3 滤波放大电路 石墨纤维在1 3 0 0 内输出电势通常在0 - 5 0 m v 之间。在工业现场强干扰环境中， 由于存在很强的各种强电、强磁干扰信号，很难检测到如此微弱的电信号。因此，为 提高测量的准确度，首先需要将干扰信号滤去，并将微弱的测温信号放大。 由于工业现场采集的信号范围很大，根据芯片要求，为了防止干扰信号超过有用 信号，在放大电路的前面，设置前露差分滤波器，以滤去一部分无用信号。 滤波器是一个选频装置。理想滤波器应能无失真的传输有用信号，而又能完全抑 制无用信号。模拟低通滤波器主要是在保持有用信号不失真的情况下，对信号进行初 步的滤波，滤去信号中的甚高频成分，降低信号的截止频率，减少采样环节引入的误 差，提高数字滤波的效果，还可减少混叠失真，从而提高介质损耗角的正切值测量的 精度和稳定性。 有用信号和无用信号往往占有不同的频带。在高温测量领域，温度信号的有效频 率在2 0 5 0 k h z 之间，取= 5 0 k h z 。根据公式： 6 3 = l ，r c r c = l u = 1 5 0 k h z = 0 0 0 0 0 2 前置差分滤波器的电容c 般取0 1 u f ，则 r = 0 0 0 0 0 2 c = o 0 0 0 0 2 0 1u f = 2 0 0 q 萨负电源引脚处滤波电容c 一般选4 7 u f 1 6 v ，以消除电源带来的干扰。这样，进入 下一步放大的信号中2 0 5 0 k h z 之外的大部分信号就被滤掉了。 tn id 图2 1 智能温度传感器的滤波及一级放大电路图 如图2 1 所示，本系统中采用r c 滤波电路，将信号中的高频滤除。在一级放大 中，设计了放大倍数换档量程电路，分别为5 0 0 倍和1 0 0 0 倍，这是由于目前热电偶 还需要分组进行标定，组与组之间的输出电势差别很大，为了充分利用a d 转换的 满量程，提高测量精度，需要采用不同的放大倍数。放大器要有低功耗、低漂移、低 失调，增益线性好的特点，才能对传感器的微弱信号进行不失真的放大，保证测量数 据的精确。本电路要完成的任务主要是把传感器采集的信号( 一般在2 0 m v - - - 4 3 m v ) 转换成a d 转换芯片所需要的数据( o 2 8 v ) 根据试验和以往经验，所采集的信号 有效频率在2 0 5 0 k h z 之间，所以还要把其余波段的频率值滤除。仪表放大器( i a