测量仪器的原理及制作

1、前 言

在物理实验和生产实际中。往往需要高精度的测量。环境温度对测量的影响是一个重要的因素。因此要求我们必须对环境温度进行精密的测量。对测量仪器也应有如下的要求，即制造成本低。测量精度高。湿度传感器探头,不锈钢电热管,PT100传感器,流体电磁阀,铸铝加热器,加热圈

线形度好，应用范围广。便于安装和调试。目前市场上有多种传感器可以用来实现温度的测量。常用的有石英温度计、光纤传感温度计、热敏电阻温度计等在上述几种器件中，石英温度计灵敏度最高，目前可达到℃数量级然而，这些传感器的价格一般都比较贵。线性度难以达到精密测量的要求。

我们所知道红外光的特性：单色性好，抗干扰，比较适合高精度的测量。我们所要设计的仪器结构简单.容易制作，便于安装，可进行高精度的温度测量，该温度测量可直接输出到微机或pc机进行后期的数据处理，十分方便易行。

2、仪器的原理和用途

我们采用微品玻璃陶瓷材料制成一个圆筒，这种微晶玻璃陶瓷材料具有真空性好、耐高低温、绝缘和耐酸碱腐蚀等性能，其基本性能指标如下：使用温度-273℃～1000℃体积电阻率1.08x1014Ω·cm，热膨胀系数为αl=8.6x10-6/℃，微品玻璃陶瓷抗热冲击性能非常好，从800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃强度不变化。在筒内的一端固定一根长L=10cm的薄有机玻璃圆筒，在筒内另一端固定一个红外位移传感器，并且让有机玻璃棒的自由端将红外接收管的接收面遮住一半，使其工作在线性度最好的区域。由于有机玻璃的热膨胀系数为α2=1.7x10-4/℃，两者相差达2个数量级，所以当温度变化时，我们可以认为有机玻璃在陶瓷卡材料上的相对位移可以忽略，故有机玻璃的自由端同红外位移传感器之间的相对位置变化将改变红外接收管的有效接收面积。从而使位移传感器输出电压也随之改变。这种新型温度传感器的测量灵敏度为：

ΔT=ΔL/L(α1-α2)

其中，△L为红外位移传感器对有机玻璃长度测量的灵敏度。

红外位移传感器，主要机构由红外发光二极管发射和接受装置，数据放大去噪部分以及数据采集处理系统组成。

我们可以看到它是利用红外光电二级管的光电转换规律，通过其遮挡的光通量与输出电流的关系确定遮挡体。能将微小的温度转换成电压的变化。在运用放大电路将其进行放大处理。结合数据采集卡建立电压信号与温度的函数关系。最后利于高精度的螺旋测微器进行定标，最终形成我们可以得到一个具有较高测量精度(3×10-7m)的位移测量仪。

由于光电转换的电流较小而且红外发光二极管的功率也较低，因此我们可以认为红外位移传感器不会对测量的温度环境有影响。

3、仪器的制作与实验结果

我们将设计好的温度传感器与灵敏度为0.001℃的石英温度计放入一个铜制的匣子里，并且尽可能将两者接近，这样减少两者间的环境温度差别。同时放置一个用黑盒子包裹的功率为1W的灯泡给匣子进行加热。采用黑盒子是为了减少匣子内背景光对红外位移传感器的影响。实验中我们的数据采集是利用PCL-71IB数据采集卡。PCL-711B是一块具有高性能、高速度、多功能的数据转换卡，它适用于现行的IBMPC或其它兼容计算机。它的高性能、丰富的软件支持以及多种功用，使得PCL-71IB成为了工业应用和实验设备的理想选择。我们利用其A/D转换功能并结合串口通讯将数据输入到PC机进行后期处理。