一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置的制造方法
【專利摘要】一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，屬于溫度傳感領(lǐng)域。本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置解決了現(xiàn)有溫度傳感器的靈敏度低的問題。本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置包括RC振蕩電路、分頻器、頻率計數(shù)器和顯示電路；RC振蕩電路中的熱敏電阻用于在其所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時引起RC振蕩電路輸出頻率的變化，分頻器用于M分頻RC振蕩電路的輸出頻率；頻率計數(shù)器用于測量分頻器的輸出頻率，并將測量結(jié)果M倍放大；顯示電路用于顯示頻率計數(shù)器輸出的測量結(jié)果。本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置用于實現(xiàn)高靈敏度的溫度傳感。
【專利說明】
-種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及一種溫度傳感裝置，具體設(shè)及一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度傳感器廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、測震和航天等多個 領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)囟葌鞲衅黛`敏度的要求也越來越高，現(xiàn) 有的溫度傳感器可分為半導(dǎo)體式、銷電阻式、光纖式W及紅外式，其靈敏度較低，無法進行 高靈敏度的傳感。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有溫度傳感器的靈敏度低的問題，從而提出了一 種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置。
[0004] 本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，該裝置包括RC振蕩電 路、分頻器、頻率計數(shù)器和顯示電路；
[0005] RC振蕩電路包括電容1、熱敏電阻2、第一電阻3、第二電阻4、第Ξ電阻5、第一穩(wěn)壓 二極管6、第二穩(wěn)壓二極管7和運算放大器8,運算放大器8的反相輸入端同時與電容1的一端 和熱敏電阻2的一端連接，運算放大器8的同相輸入端同時與第二電阻4的一端和第Ξ電阻5 的一端連接，運算放大器8的輸出端與第一電阻3的一端連接，熱敏電阻2的另一端同時與第 一電阻3的另一端、第二電阻4的另一端和第一穩(wěn)壓二極管6的正極連接，第一穩(wěn)壓二極管6 的負極與第二穩(wěn)壓二極管7的負極連接，第二穩(wěn)壓二極管7的正極、第Ξ電阻5的另一端和電 容1的另一端均與電源地連接，第一電阻3與第一穩(wěn)壓二極管6的公共端為RC振蕩電路的交 流電壓信號輸出端；
[0006] 分頻器用于Μ分頻R訝辰蕩電路的輸出頻率；
[0007] 頻率計數(shù)器用于測量分頻器的輸出頻率，并將測量結(jié)果Μ倍放大；
[0008] 顯示電路用于顯示頻率計數(shù)器輸出的測量結(jié)果；
[0009] Μ為正整數(shù)。
[0010] 本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置的原理為：當(dāng)熱敏電阻 所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，其電阻值改變，進而使R訝辰蕩電路的輸出頻率發(fā)生改變，利用 分頻器對RC振蕩電路輸出的高頻率交流電壓信號進行Μ分頻，使分頻后的交流電壓信號的 頻率在頻率計數(shù)器能夠處理的范圍內(nèi)，頻率計數(shù)器測量其接收到的交流電壓信號的頻率， 并將測量結(jié)果Μ倍放大，最后通過顯示電路顯示測量結(jié)果。
[0011] 在特定的溫度條件下，本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置 能夠?qū)?.0 rc的溫度變化量做出接近1 〇〇〇化的反饋，對rc的溫度變化量做出了接近 lOOOOOHz的反饋。
[0012] 本實用新型所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，可監(jiān)測極為細微的溫 度變化，在溫度變化量很小的情況下有較為可觀的頻率輸出反饋，具有較高的靈敏度和分 辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的傳感。
【附圖說明】
[0013] 圖1是實施方式一所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置的工作原理圖；
[0014] 圖2是實施方式一中R訝辰蕩電路的電路圖；
[0015] 圖3是實施方式一中R訝辰蕩電路的輸出電壓波形和電容上的電壓波形圖；
[0016] 圖4是實施方式二中MF-51-3000型負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值-溫度特性曲線圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0017] 一:參照圖1、圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式所述的一種基 于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，該裝置包括RC振蕩電路、分頻器、頻率計數(shù)器和顯示電 路；
[0018] RC振蕩電路包括電容1、熱敏電阻2、第一電阻3、第二電阻4、第Ξ電阻5、第一穩(wěn)壓 二極管6、第二穩(wěn)壓二極管7和運算放大器8,運算放大器8的反相輸入端同時與電容1的一端 和熱敏電阻2的一端連接，運算放大器8的同相輸入端同時與第二電阻4的一端和第Ξ電阻5 的一端連接，運算放大器8的輸出端與第一電阻3的一端連接，熱敏電阻2的另一端同時與第 一電阻3的另一端、第二電阻4的另一端和第一穩(wěn)壓二極管6的正極連接，第一穩(wěn)壓二極管6 的負極與第二穩(wěn)壓二極管7的負極連接，第二穩(wěn)壓二極管7的正極、第Ξ電阻5的另一端和電 容1的另一端均與電源地連接，第一電阻3與第一穩(wěn)壓二極管6的公共端為RC振蕩電路的交 流電壓信號輸出端；
[0019] 分頻器用于Μ分頻R訝辰蕩電路的輸出頻率；
[0020] 頻率計數(shù)器用于測量分頻器的輸出頻率，并將測量結(jié)果Μ倍放大；
[0021] 顯示電路用于顯示頻率計數(shù)器輸出的測量結(jié)果；
[0022] Μ為正整數(shù)。
[0023] 第一穩(wěn)壓二極管6和第二穩(wěn)壓二極管7將RC振蕩電路的輸出電壓Uo穩(wěn)定在±Ur之 間。當(dāng)化=Ur時，熱敏電阻2向電容1充電，當(dāng)電容1上的充電電壓^>FUr，F(xiàn) =化/(化+化)時，Uo 翻轉(zhuǎn)，當(dāng)Uo = -Ur時，熱敏電阻2對電容1反向充電，當(dāng)電容1上的充電電壓Uc<-即擁，U廂次 翻轉(zhuǎn)，使化=Ur。
[0024] RC振蕩電路的輸出頻率f為：
[0025]
W
[0026] 公式（1)中，T為R訝辰蕩電路輸出電壓的周期，R為熱敏電阻2的電阻值，Ri為第二電 阻4的電阻值，R2為第Ξ電阻5的電阻值，C為電容1的電容值；
[0027] 其中C、化和化均為常量，因此RC振蕩電路的輸出頻率f只與R的大小有關(guān)。
【具體實施方式】 [0028] 二:參照圖4說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的一 種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置的進一步限定，熱敏電阻2為MF-51-3000型號的熱敏 電阻。
[0029] 本實施方式所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，根據(jù)中華人民共和國 第四機械工業(yè)部部頒標準《MF51型珠狀熱敏電阻器(SJ 1554-80)》，選擇MF-51-3000型的負 溫度系數(shù)熱敏電阻，該熱敏電阻在-30°C~30°C范圍內(nèi)阻值變化較大；
[0030] MF-51-3000型負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值與其所處溫度之間的關(guān)系可表示為：
[0031]
(2)
[0032] 公式(2)中，R(Ti)為負溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度Τι時的電阻值；
[0033] R(T2)為負溫度系數(shù)熱敏電阻在額定溫度Τ2時的電阻值，等于680 Ω;
[0034] exp為W自然數(shù)e為底的指數(shù)；
[0035] β為負溫度系數(shù)熱敏電阻的熱敏指數(shù)，等于2200;
[0036] Τι和Τ2均為開氏溫度，Τ2為298.15Κ;
[0037] 將各個常數(shù)代入公式(2)可得到公式(3):
[00測
巧）
[0039] 其中ti為Τι對應(yīng)的攝氏溫度；
[0040] 為了得知該型號電阻在具體溫度下的阻值，使用MATLAB軟件制作阻值-溫度特性 曲線圖，如圖4所示；
[0041 ]并根據(jù)阻值-溫度特性曲線圖，制作不同溫度條件下熱敏電阻的阻值變化表；
[0042] 表1不同溫度條件下熱敏電阻的阻值變化
[0043]
[0044] ~由上圖可W看出，此電阻在'-30°C -30°C有較為理想的阻值變化' '
[0045] 公式（1)中C取1〇-中，町取100Ω J2取1 Ω，在MF-51-3000型熱敏電阻出于-30°C~ 30°C的條件下，分別將10°C、19°C、19.9°C、19.99°C、20°C時，MF-51-3000型熱敏電阻對應(yīng)的 阻值代入到公式(1)，可得：
[0046] f(l〇°C)=251185細 Z
[0047] f(19°C )=317759細 Z
[0048] f(19.9°C)=3264107Hz
[0049] f (19.99°C )=327303 甜 Z
[0050] f(20°C)=3274011Hz；
[0051 ]由W上數(shù)據(jù)可見，在特定的溫度條件下，本實施方式所述的溫度傳感裝置對0.01 °C的溫度變化量做出了接近1000化的頻率反饋，對rC的溫度變化量做出了接近100000化 的頻率反饋；
[0052]在不同的測溫需求下，可W更換熱敏電阻W及電容來得到最佳、最大的精度。
【具體實施方式】 [0053] Ξ:本實施方式是對實施方式一所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫 度傳感裝置的進一步限定，運算放大器8為LM4562型號的運算放大器。
[0054] LM4562型運算放大器是高性能音頻專用雙運放，具有極低失真率、低噪聲、高轉(zhuǎn)換 速率、工作電壓范圍大W及輸出電流大等優(yōu)點。在標準工作狀態(tài)下，該運算放大器的輸入噪 聲密度低至2.化￥^/^，輸出電流達261114，可驅(qū)動600〇的負載，轉(zhuǎn)換速率達2(^/43，增益帶 寬積高達55MHz，可處理頻率范圍高達55MHz。
【具體實施方式】 [0055] 四：本實施方式是對實施方式一所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫 度傳感裝置的進一步限定，分頻器為74肥4040型號的分頻器。
[0056] 為了增大能夠測量的輸出頻率范圍，本實施方式中的分頻器在硬件上采用 74HC4040型號的分頻器，該型號的分頻器為12位的二進制分頻器，采用多個D觸發(fā)器級聯(lián)的 方式，對輸入信號進行分頻，輸入信號從10號引腳輸入，7號腳為4分頻輸出，6號腳為8分頻 輸出，5號腳為16分頻輸出，3號腳為32分頻輸出，2號腳為64分頻輸出，4號腳為128分頻輸 出，13號腳為256分頻輸出，12號腳為512分頻輸出。
【具體實施方式】 [0057] 五:本實施方式是對實施方式一所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫 度傳感裝置的進一步限定，頻率計數(shù)器采用STC89C52RC型號的忍片實現(xiàn)。
[005引 STC89C52RC型號的忍片為16位高可靠、低功耗的處理器，最高時鐘頻率為80MHz， flash存儲器的存儲空間為8KB，可反復(fù)擦寫編程，其內(nèi)部集成了 3個16位定時器/計數(shù)器，內(nèi) 置看口狗電路，具有一定抗干擾性;其P3.4引腳作為交流頻率的輸入端;考慮到方便軟件計 算和準確測量，選用12MHz晶振。為保證信號測量精度，可預(yù)置測量閩口時間，通過軟件控制 定時計數(shù)，使在閩口時間內(nèi)最大限度地測量多個信號頻率、周期。另外，WlOMHz基準信號源 對測量過程進行校正，P3.2引腳作為lOMHz基準信號源的輸入端。
[0059]【具體實施方式】六:本實施方式是對實施方式一所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫 度傳感裝置的進一步限定，顯示電路采用8位L邸數(shù)碼管實現(xiàn)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，其特征在于，該裝置包括RC振蕩電路、分頻 器、頻率計數(shù)器和顯示電路； RC振蕩電路包括電容（1)、熱敏電阻（2)、第一電阻（3)、第二電阻(4)、第三電阻（5)、第 一穩(wěn)壓二極管(6)、第二穩(wěn)壓二極管(7)和運算放大器(8)，運算放大器(8)的反相輸入端同 時與電容（1)的一端和熱敏電阻（2)的一端連接，運算放大器(8)的同相輸入端同時與第二 電阻(4)的一端和第三電阻(5)的一端連接，運算放大器(8)的輸出端與第一電阻(3)的一端 連接，熱敏電阻(2)的另一端同時與第一電阻(3)的另一端、第二電阻(4)的另一端和第一穩(wěn) 壓二極管(6)的正極連接，第一穩(wěn)壓二極管(6)的負極與第二穩(wěn)壓二極管(7)的負極連接，第 二穩(wěn)壓二極管(7)的正極、第三電阻(5)的另一端和電容（1)的另一端均與電源地連接，第一 電阻(3)與第一穩(wěn)壓二極管(6)的公共端為RC振蕩電路的交流電壓信號輸出端； 分頻器用于Μ分頻RC振蕩電路的輸出頻率； 頻率計數(shù)器用于測量分頻器的輸出頻率，并將測量結(jié)果Μ倍放大； 顯示電路用于顯示頻率計數(shù)器輸出的測量結(jié)果； Μ為正整數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，其特征在于，熱敏電 阻(2)為MF-51-3000型號的熱敏電阻。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，其特征在于，運算放 大器(8)為LM4562型號的運算放大器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，其特征在于，分頻器 為74HC4040型號的分頻器。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，其特征在于，頻率計 數(shù)器采用STC89C52RC型號的芯片實現(xiàn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫頻轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度傳感裝置，其特征在于，顯示電 路采用8位LED數(shù)碼管實現(xiàn)。
【文檔編號】G01K7/22GK205670053SQ201620607113
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】孫崐, 張子通, 遲明偉
【申請人】哈爾濱理工大學(xué)