一種數字光電溫度傳感器的製造方法

2023-10-06 01:00:09 2

一種數字光電溫度傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種數字光電溫度傳感器，包括：感溫管（1）、光電轉換模塊（2）和數字處理模塊（3）；感溫管（1）的盲端為可置入待測溫場中感溫並產生熱輻射光束的感溫頭，光電轉換模塊（2）包括光管（20）以及設在光管（20）中的聚焦鏡（21）、光束板（22）、限束板（23）和光電轉換元件（24），數字處理模塊（3）包括模塊盒體和設在模塊盒體內的多段補償調整子模塊（31）、標準信號轉換子模塊（32）和網絡協議轉換子模塊（33）；光管（20）由第一連接管（20A）、第二連接管（20B）和第三連接管（20C）組成。本實用新型中，採用分段誤差自動補償技術大大提高了測量精度；採用標準信號處理和網絡協議轉換，實現了數位化和網絡化傳輸。
【專利說明】 一種數字光電溫度傳感器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及溫度傳感器【技術領域】，尤其涉及一種數字光電溫度傳感器。

【背景技術】
[0002]工業中的許多生產中都離不開高溫設備，且這些高溫設備通常長期連續運行，導致其工作溫度超出負荷，而工業生產特別是冶煉、電力生產、金屬材料高溫熱處理等行業對溫度工藝參數的要求很嚴格，這就要求配備性能優良、工作穩定性高、抗幹擾能力強的溫度檢測傳感設備。
[0003]目前，許多生產過程中採用鉬銠熱電偶或其他高溫熱電偶測溫，由於鉬銠熱電偶或其他高溫熱電偶在高溫、高壓和有害介質條件下工作時，偶絲容易受到各種介質在高溫下的滲透而逐步變質，造成測量誤差逐步增大(誤差可以達到幾十度或更高)，使得生產工藝偏離技術要求，影響產品質量甚至造成產品報廢，同時偶絲很快會變脆、表面氧化、變質等因素造成損壞。實際應用中偶絲故障率高、更換頻繁、影響生產的正常進行，又因為鉬銠為貴金屬、價格高、造成很大的成本消耗。
[0004]隨著光通信技術的發展，許多光電溫度傳感產品都處於研發階段、從技術方面來說、都有不同的觀點和實現方法，測量誤差均在0.5%-1.0%以上、測量精度不高、生產廠家只能配套自己的專用顯示儀表才可以進行檢驗或校準，沒有統一的製造標準、產品兼容性差，不利於廣泛推廣應用，使其發揮效益。此外，現有的傳感器受制於測溫範圍或精度，不能滿足不同待測溫場的需要，使用者必須針對測溫需要配備許多的溫度傳感設備，挑選麻煩而且成本高昂。
實用新型內容
[0005]基於【背景技術】存在的技術問題，本實用新型提出了一種數字光電溫度傳感器，採用分段誤差自動補償技術大大提高了測量精度，採用標準信號處理和網絡協議轉換，實現了數位化和網絡化傳輸；光管採用多段可拆卸的連接管組成，不僅易於拆裝維修，還可以根據不同溫場的需要，快速對內部的光電轉換元件進行配置，以滿足不同應用場合的測溫要求。
[0006]本實用新型提供的一種數字光電溫度傳感器，包括:感溫管、光電轉換模塊和數字處理模塊；感溫管的盲端為可置入待測溫場中感溫並產生熱輻射光束的感溫頭，光電轉換模塊包括光管以及設在光管中的聚焦鏡、光束板、限束板和光電轉換兀件，數字處理模塊包括模塊盒體和設在模塊盒體內的多段補償調整子模塊、標準信號轉換子模塊和網絡協議轉換子模塊；光管由第一連接管、第二連接管和第三連接管組成，感溫管的開口端插入第一連接管的第一端中並在感溫管外周與第一連接管內周之間設有內鎖緊圈進行鎖緊固定，第二連接管的第一端通過螺紋方式旋緊在第一連接管的第二端，在第二連接管靠近其第一端的內周設有擋環，聚焦鏡抵靠在擋環靠近第一連接管一側並通過壓圈進行壓緊固定，聚焦鏡的凸面朝向第一連接管，第二連接管第二端通過螺紋方式旋緊在第三連接管第一端，光束板和限束板設在第三連接管靠近其第一端和第二端的內周，光電轉換元件從第三連接管第二端置於第三連接管中，模塊盒體通過螺紋方式旋緊在第三連接管第二端並壓緊光電轉換元件；在光束板中心設有光束孔，在限束板中心設有限束孔，熱輻射光束經聚焦鏡、光束板、限束板之後照射到光電轉換元件的受光面產生電壓信號並輸出；電壓信號輸入至多段補償調整子模塊中經信號放大和分段式誤差補償調整之後輸出線性的電壓信號，線性的電壓信號輸入至標準信號轉換子模塊轉換成數位訊號，數位訊號經網絡協議轉換子模塊轉換成網絡協議信號。
[0007]優選地，第二連接管外周通過螺紋方式設有外鎖緊圈，外鎖緊圈在第二連接管上旋動並與第一連接管或第三連接管抵靠對第二連接管進行防鬆動固定。
[0008]優選地，第二連接管靠近第一端的位置向外延伸出凸起，外鎖緊圈位於凸起靠近第二連接管第二端的一側。
[0009]優選地，感溫管為剛玉管、金屬陶瓷管或耐高溫合金管。
[0010]優選地，光電轉換元件為感光板。
[0011]優選地，數字處理模塊中還設有與標準接口設備通信的標準輸入輸出接口，標準輸入輸出接口位於模塊盒體上。
[0012]本實用新型中，光管由第一連接管、第二連接管、第三連接管以可拆卸的方式組合而成，聚焦鏡、光束板、限束板和感光板分別設在第一連接管、第二連接管、第三連接管中，當光管中的光電轉換元件出現故障時可方便地拆卸並更換；並且也可根據不同溫場對傳感器的不同要求，可以方便地裝置並對內部的光電轉換元件進行配置。感溫管插入第一連接管配合內鎖緊圈實現緊密配合。第二連接管上的外鎖緊圈通過螺紋旋轉抵靠在第一連接管或第三連接管上，外鎖緊圈與第一連接管或第三連接管之間通過摩擦力止退，防止第二連接管鬆脫；感溫管的盲端插入溫場中，產生熱輻射光束，熱輻射光束依次通過光管中的聚焦鏡、光束板上的光束孔、限束板上的限束孔，照射到光電轉換元件的受光面，產生電壓信號輸出，其中聚焦鏡配合壓圈和擋環進行固定，避免光束聚焦路線發生偏轉，而光束板的增力口，利用光束孔與聚焦鏡間形成的視角，只採集感溫管盲端很小一塊內表面的輻射光，盲端插入深淺不會造成測溫誤差。光電轉換元件產生的電壓信號進入多段調整補償子模塊進行信號放大和分段式誤差補償後輸出線性電壓信號，大大提高測量精度，線性電壓信號經過標準信號轉換子模塊轉換成數位訊號，實現了數位化傳輸，有利於採集到的現場數據遠距離傳輸，數位訊號經網絡協議轉換子模塊轉換成網絡協議信號，為實現網際網路有效連接奠定了基礎。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型提出的一種數字光電溫度傳感器的整體結構圖；
[0014]圖2為圖1中光管的結構圖；
[0015]圖3為分段線性處理的硬體原理圖；
[0016]圖4為分段線性處理曲線圖；
[0017]圖5為分段線性處理程序流程圖。

【具體實施方式】
[0018]如圖1、圖2所示，本實用新型提出的一種數字光電溫度傳感器，包括:感溫管1、光電轉換模塊2和數字處理模塊3 ;其中:
[0019]感溫管I的盲端為可置入待測溫場中感溫並產生熱輻射光束的感溫頭，光電轉換模塊2包括光管20以及設在光管20中的聚焦鏡21、光束板22、限束板23和感光板24，數字處理模塊3包括模塊盒體和設在模塊盒體內的多段補償調整子模塊31、標準信號轉換子模塊32和網絡協議轉換子模塊33，標準信號轉換子模塊32和網絡協議轉換子模塊33採用標準信號處理和網絡協議轉換，實現了數位化和網絡化傳輸，同時，模塊盒體上還設有標準輸入輸出接口 34，方便傳感器與其他標準接口設備通信。
[0020]如圖1、圖2所示，光管20由第一連接管20A、第二連接管20B和第三連接管20C以可拆卸的方式組合而成，聚焦鏡21、光束板22、限束板23和感光板24分別設在第一連接管20A、第二連接管20B和第三連接管20C中；當光管中的光電轉換元件出現故障時可方便地拆卸並更換；並且也可根據不同溫場對傳感器的不同要求，可以方便地裝置並對內部的光電轉換元件進行配置。
[0021]感溫管I的開口端插入第一連接管20A的第一端中，並在感溫管I外周與第一連接管20A內周之間設有內鎖緊圈121進行鎖緊固定，同時，為了進一步保證感溫管I與第一連接管20A接合緊密且不易鬆脫，感溫管I可選用剛玉管、金屬陶瓷管或耐高溫合金管等，可在實際應用中更換。第二連接管20B的第一端通過螺紋方式旋緊在第一連接管20A的第二端，在第二連接管20B靠近其第一端的內周設有擋環211，聚焦鏡21抵靠在擋環211靠近第一連接管20A —側並通過壓圈212進行壓緊固定，防止聚焦鏡21晃動而導致光束聚焦路徑改變產生誤差，聚焦鏡21的凸面朝向第一連接管20A。第二連接管20B第二端通過螺紋方式旋緊在第三連接管20C第一端，第二連接管20B外周設有外鎖緊圈202以及位於外鎖緊圈202靠近第一連接管20A —側的凸起201，外鎖緊圈202以螺紋旋轉的方式向第三連接管20C的方向旋動鎖緊，以第二連接管20B為參考物，外鎖緊圈202的旋轉方向與第三連接管20C相反。當外鎖緊圈202與第三連接管20C都處於鎖緊狀態時，兩者的接觸面產生摩擦力，防止第二連接管20B與第三連接管20C的連接鬆脫；當外鎖緊圈202處於鬆動狀態時，凸起201阻止其從第二連接管20B的第一端脫落。光束板22和限束板23設在第三連接管20C靠近其第一端和第二端的內周，感光板24從第三連接管20C第二端置於第三連接管20C中，在光束板22中心設有光束孔，在限束板23中心設有限束孔，光束孔與聚焦鏡21形成一定的視角，只採集感溫管I盲端很小一塊內表面的輻射光，因此，傳感器盲端插入深淺不會造成測溫誤差。
[0022]如圖1所示，本實施例中，數字處理模塊3的模塊盒體通過螺紋方式旋緊在第三連接管20C第二端並壓緊感光板24，確保感光板24安裝平整穩定。
[0023]本實施例中，感溫管I產生的熱輻射光束經聚焦鏡21、光束板22、限束板23之後照射到感光板24的受光面產生電壓信號並輸出，感溫管1、聚焦鏡21、光束板22、限束板23和感光板24位於同一條中心線上,確保福射光束準確照射到感光板4的受光面。電壓信號輸入至多段補償調整子模塊31中經信號放大和分段式誤差補償調整之後輸出線性的電壓信號，線性的電壓信號輸入至標準信號轉換子模塊32轉換成數位訊號，數位訊號經網絡協議轉換子模塊33嵌入的RS485網絡總線晶片和Modbus RTU協議轉換成網絡協議信號，實現了數位化和網絡化；而設置於模塊盒體上的標準輸入輸出接口利於傳感器與其他標準接口設備通信，為本實用新型的推廣應用提供了可能。
[0024]在測溫過程中，將感溫管I做為感溫頭的盲端插入被測溫介質或溫場中，感溫頭被加熱至與被測溫度相同溫度，盲端內表面產生的熱輻射與溫場中溫度符合熱輻射定律，又由於感溫管內徑遠小於管長，可以認為是黑體輻射，輻射力與溫度的關係遵循斯忒藩-博爾茲曼定律。
f GO廣 CO CJ 2 ^
[0025]Eh = I ΕΑλ=\ -lT-?λ = σΤ4
b Jo Λ Jo
[0026]Eb = σ T4

? J1
[0027]Eu = Cn -
b \ιοο J
[0028]σ = 5.67 X 1^8W/ (m2.K4)
[0029]C0 = 5.67W/ (m2.K4)
[0030]輻射光經聚焦鏡21、束光板22和限光板23照射到感光板24的受光面，產生電信號。本實施例中，感光板24中的光電轉換元件選用矽光電元件，其輸出微弱的電流信號很容易受環境溫度影響，因此設計了具有溫度補償的電阻網絡元件，保證在-25?+95°C範圍內輸出信號電壓穩定，極大地減小了附加誤差、提高了傳感器的穩定性。
[0031]多段補償調整子模塊31中，將輸入輸出由非線性關係轉化為線性關係，實現非線性矯正的硬體原理圖。
[0032]在圖3中，Al接成1:1的反相器，其輸出分別加在帶有偏置電壓的4個理想二極體VD1-8電路上。當輸入電壓在土Vrl以內時，4個理想二極體VD1-8電路均輸出0V，倒相後的輸入信號經W5加在A6構成的加法器輸入端,此時因另外4個加法器輸入端均為0V,故W5將決定土Vrl輸入電壓段的輸出特性斜率為土SI，且S1=R0/Rw5 ;當輸入電壓高於Vrl時，由Vrl偏置而斷路的理想二極體VD1-8電路A3導通，輸出特性斜率為S2=R0 (1/Rw5)-1/Rwl0其他各理想二極體VD1-8在相應電壓段的工作情況與此類似。只要適當調整Wl?W5各加權因子，就可在土Vrl、土Vr2所分段的各電壓段上得到所需的折線斜率。此方法校正效果較好、準確度高，校正範圍寬，穩定性好。對非線性嚴重，且校正準確要求高的場合，採用此方法時，必須增加分割區間，線段數越多，輸出電壓的精度越高。
[0033]圖3中的輸入輸出經過線性化處理後的特性曲線如圖4中的曲線V2所示，曲線Vl為線性化處理前特性曲線。
[0034]光電傳感器輸出電勢e與溫度t之間具有如下的多項式形式:

η
[0035]t = a.
[0036]顯然，階數越高，擬合誤差越小。實際計算表明，如果採用分段的方法，擬合公式的階數不會太高。例如，電勢e在取值區間2200.53?29693.1luV上分為3段。
[0037](I) 2200.53uV 彡 e 彡 4334.16uV

4
[0038]tx =Y4^iC1(2a)

/=0
[0039](2)4334.16uV < e < 15536.0OuV

6
[0040]t2 =YAet(2b)

i=0
[0041](3) 15536.0OuV < e < 29693.1luV

8
[0042]t3(2c)

/=0
[0043]多段補償調整子模塊31中，輸入輸出的分段式線性處理關係式的選擇通過軟體來執行，程序初始化後，接收通訊指令並對其進行內部補償，然後根據輸出電勢，確定分段區間，選擇對應的線性關係式計算溫度值，並將溫度值轉換成數據輸出，圖5所示為程序工作流程圖。
[0044]經過硬體分段線性化和軟體分段線性化結合處理後，數字光電溫度傳感器的的測量信號輸出線性得到有效改善，大大提高了測量準確度，尤其是經過軟體校準後可達到±0.3%?0.4%誤差要求。本實用新型提供的數字光電溫度傳感器響應速度快，多段補償調整子模塊31中採用了分段線性誤差補償的方法，大大提高了測量精度，輸出信號經過標準信號轉換子模塊32和網絡協議轉換子模塊33實現數位化和網絡化，不僅有利於採集到的現場數據遠距離傳輸，還為實現網際網路連接奠定了基礎，同時設置於模塊盒體上的標準輸出接口 34為本實用新型的推廣應用提供了可能。
[0045]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，根據本實用新型的技術方案及其構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種數字光電溫度傳感器，其特徵在於，包括:感溫管(I)、光電轉換模塊(2)和數字處理模塊(3);感溫管(I)的盲端為可置入待測溫場中感溫並產生熱輻射光束的感溫頭，光電轉換模塊(2 )包括光管(20 )以及設在光管(20 )中的聚焦鏡(21)、光束板(22 )、限束板(23)和光電轉換元件(24)，數字處理模塊(3)包括模塊盒體和設在模塊盒體內的多段補償調整子模塊(31)、標準信號轉換子模塊(32)和網絡協議轉換子模塊(33);光管(20)由第一連接管(20A)、第二連接管(20B)和第三連接管(20C)組成，感溫管(I)的開口端插入第一連接管(20A)的第一端中並在感溫管(I)外周與第一連接管(20A)內周之間設有內鎖緊圈(121)進行鎖緊固定，第二連接管(20B)的第一端通過螺紋方式旋緊在第一連接管(20A)的第二端，在第二連接管(20B)靠近其第一端的內周設有擋環(211)，聚焦鏡(21)抵靠在擋環(211)靠近第一連接管(20A) —側並通過壓圈(212)進行壓緊固定，聚焦鏡(21)的凸面朝向第一連接管(20A)，第二連接管(20B)第二端通過螺紋方式旋緊在第三連接管(20C)第一端，光束板(22 )和限束板(23 )設在第三連接管(20C)靠近其第一端和第二端的內周，光電轉換元件(24)從第三連接管(20C)第二端置於第三連接管(20C)中，模塊盒體通過螺紋方式旋緊在第三連接管(20C)第二端並壓緊光電轉換元件(24);在光束板(22)中心設有光束孔，在限束板(23)中心設有限束孔，熱輻射光束經聚焦鏡(21)、光束板(22)、限束板(23)之後照射到光電轉換元件(24)的受光面產生電壓信號並輸出；電壓信號輸入至多段補償調整子模塊(31)中經信號放大和分段式誤差補償調整之後輸出線性的電壓信號，線性的電壓信號輸入至標準信號轉換子模塊(32)轉換成數位訊號，數位訊號經網絡協議轉換子模塊(33)轉換成網絡協議信號。
2.如權利要求1所述的數字光電溫度傳感器，其特徵在於，第二連接管(20B)外周通過螺紋方式設有外鎖緊圈(202)，外鎖緊圈(202)在第二連接管(20B)上旋動並與第一連接管(20A)或第三連接管(20C)抵靠對第二連接管(20B)進行防鬆動固定。
3.如權利要求2所述的數字光電溫度傳感器，其特徵在於，第二連接管(20B)向外延伸出凸起(201)，外鎖緊圈(202 )位於凸起(201)靠近第二連接管(20B )第二端的一側。
4.如權利要求1所述的數字光電溫度傳感器，其特徵在於，感溫管(I)為剛玉管、金屬陶瓷管或耐高溫合金管。
5.如權利要求1所述的數字光電溫度傳感器，其特徵在於，光電轉換元件(24)為感光板。
6.如權利要求1所述的數字光電溫度傳感器，其特徵在於，數字處理模塊(3)中還設有與標準接口設備通信的標準輸入輸出接口(34)，標準輸入輸出接口(34)位於模塊盒體上。
【文檔編號】G01J5/10GK203929241SQ201420192750
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】鄭立兵 申請人:天長市博控光電科技有限公司