论文总字数：21287字

摘 要

温度是国际单位制中七个基本的物理量之一，它是环境检测当中最基本的一个参数。环境温度对人们的生活影响十分重大，涉及到人们生活的方方面面，包括农作物的生长，细胞培育以及化学反应的控制等科学研究都离不开温度的检测与控制。像太阳能热水器、医疗、农业养殖、电力经常也需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对温度进行控制。因此，对于温度的实时测量是提高人们生活水平和推动社会发展的必要手段。通过对温度的测量，可以帮助人们采取相应的措施，以使环境朝着对自己有利的方向变化，比如通过对养鸡场室温的测量，可以通过一定办法改善温度，提高鸡的产蛋量，从而提高收益。

本次设计的温度场多点温度实时测量主要是通过多个AD590传感器将环境温度转化成电流信号，然后通过OP07差动放大器将电流信号转换成电压信号并进行适当的放大，接下来将得到的电压信号送到AD7506多路开关，通过数据采集卡将采集到的数据送到上位机进行处理和保存，利用程序来控制想要得到的那个温度场的温度，从而实现多点温度实时测量。

关键词：AD590温度传感器，放大器，多路开关，数据采集卡

MEASUREMENT OF TEMPERATURE FIELD

MULTI-POINT TEMPERATURE IN TIME

Abstract

Temperature is one of the seven basic physical quantities in the international unit system, which is the most basic parameter of environmental detection.. Environment temperature effect on people's life is very important, related to people's lives, including crop growth, cell cultivation and chemical reaction control scientific research are inseparable from the temperature detection and control. Like solar water heaters, medical, agricultural breeding, power often also need to detect the environmental temperature, and according to the actual requirements of the temperature control. Therefore, the real time measurement of the temperature is a necessary means to improve people's living standards and promote social development.. Through the measurement of temperature, can help people to take corresponding measures, in order to make the environment toward changes to their advantage, through, for example, on the farm of room temperature measurement can be through a certain way to improve the temperature and improve the chicken egg production, so as to improve the yield.

The design of temperature field of multi point temperature measurement in real-time is mainly the environment temperature changed into electrical signals through a plurality of AD590 sensor, and then through the differential amplifier OP07 will the current signal into voltage signal and appropriate amplification, the next thing would be to get voltage signal sent to AD7506 multiway switch, through data acquisition card to collect the data sent to the host computer for processing and preservation, use the program to control to get the temperature field of temperature in order to realize multi-point temperature measurement.

KEY WORDS: AD590 temperature sensor, amplifier, multiplex, data acquisition card

目录

摘要

Abstract

第一章 引言

1.1温度测量的方法简介

1.1.1膨胀式测温方法 1

1.1.2电量式测温方法 2

1.1.3激光干涉测温方法 2

1.1.4光谱测温方法 3

1.1.5辐射式测温方法

1.1.6接触式光电、热色测温方法

1.1.7声波、微波测温方法 5

1.2温度测量技术近年来的发展重点 6

1.2.1薄膜温度传感器 6

1.2.2辐射测温技术 6

1.2.3温度传感器保护套管材料 7

1.2.4光纤测温技术 7

1.2.5热电偶材料性能的提高 8

1.3多点温度实时测量对人们生产生活的意义 8

第二章 温度场多点温度实时测量总体设计 10

2.1温度场多点温度实时测量设计要求 10

2.2温度场多点温度实时测量系统设计 10

2.3系统设计可行性评估 11

第三章 温度场多点温度实时测量硬件的设计 12

3.1 OP07运算放大器简介

3.2 AD590温度传感器 12

3.3将AD590温度传感器的电流信号转化成电压信号放大电路 13

3.4 AD7506多路模拟开关 14

3.5 USB-1712数据采集卡 15

第四章 温度场多点温度实时测量软件功能实现

4.1 USB-1712的8位I/O口输出控制多路开关 17

4.2 AD转换 17

4.2.1双积分法 17

4.2.2逐次逼近法 18

4.2.3薄膜温度传感器电压频率转换法 19

4.3数据滤波 19

4.3.1中值滤波 20

4.3.2去极值平均滤波 20

4.3.3算术平均滤波 21

4.3.4程序判别滤波 21

4.4非线性校正及标度变换 22

4.4.1非线性校正 22

4.4.2标度变换 23

第五章 总结 25

5.1研究结果总结 25

5.2本次设计的自我反思与总结 26

致谢 27

参考文献（References） 28

第一章 引言

1.1温度测量的方法简介

温度是国际单位制中七个基本的物理量之一，用来表征物体的冷热程度，人类的生活、工农业生产和科学研究与温度都有着紧密的联系，所以对温度进行测量是十分必要的^[1]。随着人类生产技术的不断进步，温度测量技术也得到了不断的发展。

由于温度测量有很多不同的原理，所以产生了很多温度测量的方法，温度测量有很多种分类，但是要找到一种完全理想的分类方法也是比较困难的。图1给出了一种根据温度测量的原理进行分类的方法，基本包含了当前温度测量的一些基本原理，几乎所有的温度测量技术都是在这些原理的基础上发展起来的。如图1.1所示。

图1.1 测量方法分类

1.1.1膨胀式测温方法

膨胀式测温主要是利用了物质的热胀冷缩的原理即根据温度与物体的体积或者几何形变的关系进行温度的测量，相对而言这是一种比较传统的温度测量方法，例如日常生活中所用到的测体温的温度计就是利用了了膨胀式测温的原理。膨胀式温度计有不同的种类，最常见的是双金属膨胀式温度计、玻璃液体温度计和压力式温度计这三类。膨胀式温度计有很多优点，其可直接进行读数，价格低廉，结构相对简单，使用起来十分方便，而且是非电量测量方式，基于这个原因，膨胀式温度计适用于防爆的场合。由于是利用物体的形变与温度的关系进行温度的测量的，所以造成准确度不太高，实现自动化也比较困难，而且容易损坏。所以在对精度要求不高的场合适合膨胀式温度计。

1.1.2电量式测温方法

电量式测温方法的原理主要是根据温度与材料的电性能比如电阻或者电势等的单值关系来进行温度测量的，包括了三种不同的测量方法，分别是热电阻和热敏电阻温度测量、热电偶温度测量、集成芯片温度测量。

热电阻的测量原理是根据温度与材料的电阻的相应关系来进行测量的，这种测量方法具有准确度比较高，输出信号比较大，稳定性相对而言好的优点，但其元件的组成结构一般比较大，占用的空间较多，所以不适合测量空间较小的场合，另外它的动态响应较差，因此不适合用来测量温度变化很快的场合。热敏电阻是一种半导体热敏感元件，它具有电阻值随温度的变化而快速变化的特性，其结构简单，价格低廉，同时灵敏度也比较高，但其也有自身的一些缺陷，比如互换性和稳定性不太好，温度和电阻值的关系的线性度差，所以容易造成测量结果的不精确^[2]。石英温度传感器的测量温度的原理是根据温度的改变而引起石英晶体的固有频率发生变化的特性来进行测量的。由于石英晶体温度传感器的稳定性非常好，所以一般用于对分辨力和精度要求很高的测量场合。

热电偶的测量原理是将两种不同的金属材料焊接在一起，当测量端与参考端的温度不一样时，就会产生相应的热电势，然后由已知的温度与该热电势的单值关系就可以知道相应的温度。热电偶的结构简单，响应较快，能够进行自动控制，其非常适合进行远距离的测量基于热电偶的这些特性，在日常生活中和科学研究中应用比较广泛。随着科学技术的不断进步，人们能够将相关电子线路和感温元件集成在一块小芯片上，构成一个一体化、微型化以及功能多样化的专用集成电路芯片，其输出信号也可以多种多样，可以为频率、电压或者是总线数字信号，由于它的集成化，占有的空间较小，所以使用起来十分方便，适合用在便携式的设备上。

1.1.3激光干涉测温方法

激光干涉测温方法的测量原理是根据各处的折射率发生改变，然后将其变换为光参量的变化，对其进行处理后就能够得到分布状态和温度值。其大致可以分为四类，分别是散斑照相法、纹影法、干涉仪法、全息干涉法。其中散斑照相法得到的是位置差，体现的是即折射率的二阶导数；纹影法得到的是偏折的角度差，体现的是折射率的一阶导数；干涉仪法得到的是光波的相位差，体现的是折射率自身；全息干涉法可以得到其波前的振幅状态，另外还可以知道物波波前的相位状态，由于这两个数据，其体现的是折射率本身和二阶导数，所以更加全面和准确，大大减少了测量的繁杂过程，在实际应用中相比其他三种应用更加广泛。

1.1.4光谱测温方法

光谱测温方法属于非接触式测温方法，它非常适合于测量高温度的火焰以及气流的温度。根据光学的相关知识，当单色光线照射透明物体时，会产生光的散射现象，散射光分为两类，分别是非弹性散射和弹性散射，其中弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关系。与瑞利散射相比，拉曼散射光谱测温技术的应用更加普遍，日常生活中常常利用拉曼散射光谱对温度进行测量。在许多具有光亮的影响以及荧光干扰的情况下，由于其自身发射的拉曼散射的信号十分微弱而且相关性很差，造成在实际的应用中受到一定的限制。为了提升拉曼散射的性能，在实际运用中，常常对拉曼散射进行激发，受到激发的拉曼散射具备一些更加完善的技能，在测量的过程中，其信噪比能得到大幅度的提高，基于这个原因，使应用更加广泛。

受激荧光光谱法主要是在入射光线的照射下，大量分子发出的光点在多个波长上形成的波峰，这些波长的强度与温度成一定的关系。通过对波长下的相对强度、绝对强度，以及荧光的延时时间的测量，就能够得到被测对象的实际温度。在对高温的测量中，谱线反转法也是一种有效的测量方法，最常用到的是钠D线反转法，其可以用于炼钢的熔炉等高温物体的测量。它主要是利用在被测对象中加入一些少量的钠盐，从而产生两条明亮的黄色光谱线。当自然光线穿过钠蒸气时，调节背景光，当钠谱线消失时，记录光源的亮度，此亮度就是要测的火焰的温度。谱线反转法的操作简单，容易上手，准确率相对较高，所以适合火焰稳定、温度变化不大的场合。

最典型如相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温方法，与自发拉曼散射相比，其收集到的散射光信号强度提高了几个数量级，大大地提高了信噪比^[3]。同时还具有一些其他的特性，比如荧光性好、能够有效减弱噪声的影响、方向性好、脉冲效率高以及当输入脉冲时，其所需要的能量小等等，基于以上原因，这种测量温度的方法适合于含有大量尘埃的非干净火焰的温度。但是，相干反斯托克斯拉曼散射法的装置十分昂贵，同时其信号的处理比较缓慢，过程也比较复杂，常常需要专业人员进行操作，因此，它的应用并不十分广泛，常常局限于科研。

1.1.5辐射式测温方法

辐射式测温方法的原理是热辐射定律，但是在实际情况中，物体常常是非黑体，基于这个原因，引入了三个表观温度的概念，它们分别是颜色温度、亮度温度以及辐射温度，由这三种表观温度的测量方法所制成的高温计分别称为比色式高温计、亮度式高温计以及全辐射高温计。

在这三种测量方法中，比色式测温法测量结果的误差是最小的，同时比色式测温法非常适合对低发射率物体的温度进行测量，但是其构造比较复杂，价格相对其他两种测量方法较贵。亮度温度计的构造与比色式测温法相比比较简单，灵敏度也比较高，受环境的影响较小，可以在恶劣的环境中进行测量，另外，被测对象的中间介质和发射率对测量结果的影响相对较小，同时测量的亮度温度与真实温度值相差不大，但是这种方法不适合于测量发射率较低的物体的温度，而且在测量的过程中要避免和中间介质的吸收带接触。全辐射式高温计结构在这三种方法中是最简单的，与亮度温度计测量方法不同的是全辐射式被测对象受其发射率和中间介质的影响比较大，进而造成得到的测量结果与实际温度值偏差较大，也不适合用来测量发射率较低的对象。

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