感温元件测试台的设计制作毕业论文Word文档下载推荐.docx
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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化和集成化方向发展，同时要求传感器性能稳定。
对环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RS-485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。
2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2.1.1
图2.1.1
VDO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2.2.3
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。
需要提供此温度传感器的显示仪表及其实际工作环境中的连接方式等。
2.2方案的设计
目前国内对温度传感器和温度测控系统进行调整、校准和测试大部分均使用标准电阻箱作电阻信号源，用电子电位差计提供毫伏信号或用其它标准信号源。
由于使用多仪器进行校验致使校验工作的精度和可靠性受到影响，尤其在工作现场进行校验更是有许多不便之处。
综合上述设计目的考虑，本方案设计温度传感器测试台测定目标传感器的老化程度。
已知被测传感器为德国KHD公司产VDO系列气缸缸盖温度传感器，由相关参数可知该传感器为负温度系数电阻。
温度范围-40度到+250度，测量精度+/-5度，电阻变化范围68k欧到10欧，传感器非线性。
为了实现上述测试要求，试验台所必须具备的单元模块包括：
加温单元、下位机测量单元、上位机。
加热单元要能够对被测传感器进行加热，模拟其实际工作环境。
上位机控制下位机测量单元进行电信号测量，并在上位机上显示测量数据等实验结果。
通过教师指导以及查阅传感器测量相关资料，本设计方案测试电路主要是由单片机stm32、集成运放AD620、采样电路以及PID智能控制仪器等组成。
单片机主要完成温度传感器电阻随温度的变化趋势采样及处理，处理主要包括AD转换、信号的反馈补偿，以及与PID直接的信号传递数码显示，其他所有的逻辑判断功能。
PID则主要负责温度显示，加热腔的温度智能控制，完成报警功能以及对温度传感器的工作状态进行实时监测，测试的结果除了用PID仪表显示之外，也通过接口电路传到上位机即计算机进行软件显示，其中加热腔与单片机直接通过光耦电路桥接，巧妙的实现了加热单元与测量部分的隔离。
本方案计划采用国内技术先进的AI-519型人工智能调节器进行保温腔体的温度控制，该智能仪器温度控制过程精确，过冲量小，能够对热电偶进行温度漂移和温升速度双重补偿，从而减小温度测量的误差；
控制系统采用精简指令系统的arm最新的crotex-M3系列控制器，技术先进，控制精确，可扩展性强，能够完成对温度传感器电阻随温度变化信号的采集和处理；
上位机直接控制仪器的整体运行，操作智能程度高，有两种测量结果显示方式，同时显示加热腔体实际温度和被测传感器电阻变化趋势，对比以判定传感器老化程度；
方向键能够使图像移动，利于观察测量结果与原始数据的对比。
3感温元件测试台系统的设计
3.1测试台总体设计要求
（1）适用对象：
缸盖温度传感器
主要技术参数：
工作电压：
6~24V；
工作温度：
低于+200℃（+230℃不得连续超过30min，+250℃不得连续超过10min）；
（2）测量范围：
0~1000℃；
（3）主要技术参数要求：
电源：
220V；
精度：
±
0.1℃；
控制方式：
计算机测控，自动模拟加热，自动检测；
（4）操作流程
标定
加载被测器件
自动加热
自动跟踪记录温度和电阻变化
输出
比较结果、作出判定。
（5）数据报表格式：
输出温度和电阻曲线（包括回差、超测量）。
（6）计算机配置：
工控机、液晶输出
3.2测试台总体设计方案
通过需求分析、论证、设计以及考虑设计要求，设计方案流程如图3.2.1
图3.2.1
方案设计测试台由两部分组成：
（1）上位机：
负责环境参数的设定、测试过程控制和测试结果的显示。
（2）下位机：
负责PID温控仪表参数设定、测试电路监控、采样电路AD转换、运放工作、测试结果反馈等。
在无上位机时，测试电路按上次测试设定的参数运行，显示结果用指示灯指示测试好坏。
下位机测试单元由五部分组成：
（1）供电部分：
负责CPU、测试电路、显示、PID的各个部分供电。
（2）PID温控仪表与加热腔体：
负责建立满足测试条件的温度。
（3）测试电路：
采样电路将测试电阻的阻值变化转变为电压变化，经运算放大器放大后给CPU。
测试电路负责上电后自检及检测电路是否工作正常。
（4）CPU：
负责所有AD转换，通信，控制其他部分工作及其所有逻辑判断功能。
（5）显示部分分为PID显示和测试结果显示。
PID显示测试腔体给定温度、实测温度、工作状态、报警等，测试结果用指示灯显示，同时在上位机上进行曲线显示。
此测试仪有上电自检及无上位机时正常工作功能，并可以在无上位机时恢复出厂设置。
设计感温元件测试台电气配线如图3.2.2
图3.2.2
感温元件测试台机械结构如图3.2.3
图3.2.3
3.3测试台硬件电路设计
测试台硬件电路主要分为四部分：
STM32F101C4的主板设计、集成运放AD620的电路设计、采样电路设计、PID智能控制仪表电路连接，各部分之间连接关系前章已经做过介绍，以下几节将分别对STM32F101单片机、集成运放AD620、采样电路和PID智控仪表的设计进行详细说明。
3.3.1STM32F101C4的主板设计
STM32F101xx基本型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为36MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和16K字节的SRAM），丰富的增强型外设和I/O端口联接到两条APB总线。
所有型号的器件都包含1个12位的ADC和3个通用16位定时器，还包含标准的通信接口：
2个I2C、2个SPI和3个USART。
ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。
STM32F101xx基本型系列拥有内置的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。
STM32F101xx基本型内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道（不包括16个Cortex-M3的中断线）和16个优先级。
STM32F101xx基本型系列工作于-40°
C至+85°
C的温度范围，2.0V至3.6V的工作电压，一系列的省电模式满足低功耗应用的需求。
完整的STM32F101xx基本型系列产品包括从36脚至100脚的三种不同封装形式；
根据不同的封装形
式，器件中的外设配置不尽相同。
本方案中所采用的STM32F101C4为48管脚封装形式，各管脚功能如图3.3.1
图3.3.1
根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。
这些丰富的外设配置，使得STM32F101xx基本型系列微控制器适用于多种应用场合。
其中本方案采取的单片机供电电路如图3.3.2
图3.3.2
其中AS1117是一款低压差的线性稳压器，能够提供完善的过流保护和过热保护功能（AS1117正常工作环境温度范围极宽，为-50℃～140℃），确保芯片和电源系统的稳定性。
同时在产品生产中应用先进的修正技术，确保输出电压和参考源精度在±
1%的精度范围内。
AS1117采用SOT-223,TO-252封装形式。
电路图中C12为输入旁路电容，输出端接电容C14为保证电路的稳定性。
基于STM32F101C4的单片机系统是测量电路的核心部分，被测缸盖温度传感器电阻随温度的变化由采样电路采集后经集成运放AD620转化为电压变化通过接口电路传给上位机进行显示，上位机同时接收PID智能仪表反馈的加热腔体实时温度通过图表显示对比，从而实现对被测温度传感器不同温度下阻值变化曲线与给定标准变化曲线的对比，进而测定被测传感器的精度系数。
3.3.2集成运放AD620的电路设计
在很多信号采集系统中,信号变化的幅度都比较大,如果采用单一的增益放大,那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程,所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。
在自动化程度要求较高的系统中,希望能够在程序中用软件控制放大器的增益,或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。
AD620正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片，它是美国ADI公司的专利产品,是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放,如增益用分贝表示,则增益与控制电压成线性关系,压摆率为275V/μs。
管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围,增益在-11～+30dB时的带宽为90MHz,增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽,改变管脚间的连接电阻,可使增益处在上述范围内。
集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。
AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。
此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低（最大电源电流仅1.3mA），因此非常适合电池供电的便携式（或远程）应用。
AD620具有高精度（最大非线性度40ppm）、低失调电压（最大50µ
V）和低失调漂移（最大0.6µ
V/°
C）特性，由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。
AD620在1kHz时具有9nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28µ
V峰峰值，输入电流噪声为0.1pA/Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。
同时，AD620的0.01%建立时间为15µ
s，非常适合多路复用应用；
而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。
集成运放AD620引脚布局如图3.3.3
图3.3.3
Ad620的1、8管脚是要跨接一电阻来调节放大倍率的，4、7管脚需要提供正负相等的工作电压，由2、3接脚输入的放大电压即可从接脚6输出放大电阻值。
接脚5则是参考基率，如果接地则管脚6输出的即为与地之间的相对电压。
AD620在采样电路中的使用如图3.3.4
图3.3.4
其中1、8管脚并联两个相同电路来设置四种不同的放大倍率，6管脚输出的电压经过电阻R88分压，再与单片机STM32F101C4PA7管脚连接作为模拟输入，从而实现了AD620集成运放与单片机处理器的采样连接。
3.3.3采样电路设计
信号采样电路采用四种选择电路，由于不同的输入电阻值会使集成运放AD620出现不同的电压放大倍数，故并联了四组不同的电阻，从而扩展了测试感温元件的种类。
测试电路图如图3.3.5
图3.3.5
本方案测试对象为缸盖温度传感器，由于在测量感温元件时，只有一组电阻接入电路，不同的电阻值使集成运放AD620对不同的感温元件在相同的温度下输出不同的电压值，因此本方案实际测量中只需接通一组电阻，输出端直接与STM32F101连接。
3.3.4宇电AI-519型PID连接电路设计
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；
控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
而本课题中采用的是宇电/AI-519型PID，下面简单介绍AI-519人工智能调节其的主要特点及性能：
（1）输入可自由选择热电偶、热电阻、电压及电流，内含非线性校正表格，无需校正，测量精确稳定。
（2）采用先进的AI人工智能PID调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。
（3）具备手动/自动无扰动切换功能及上电软启动功能。
（4）采用宇电公司新一代0.2%高精度电流输出模块X3/X5，大大提高了变送及调节输出精度。
（5）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。
（6）人性化设计的操作方法，易学易用；
并允许编辑现场参数及自设定密码，“定制”自己的仪表。
（7）全球通用的100~240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，多种
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