CN105319469A - 一种热敏电阻动态特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热敏电阻动态特性测量装置及方法,包括激光器、光纤准直器、光束匀化扩束器、吸收屏、快响应光电探测器、待测热敏电阻、光伏放大器、光导放大器以及数据采集器;激光器发出的激光脉冲经光纤准直器准直、光束匀化扩束器均化后形成均匀光斑,待测量的热敏电阻位于所述均匀光斑内,所述均匀光斑一部分被热敏电阻吸收,另一部分照射到吸收屏上,大部分被吸收屏吸收,很小部分散射到周围环境中,光电探测器的输出端与光伏放大器连接用于实时监测激光脉冲波形。热敏电阻的两端与光导放大器连接用于测量热敏电阻的动态响应。本发明能够快速、准确测量热敏电阻的热时间常数。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置及方法,具体涉及一种热敏电阻动态特性测量装置及方法。
背景技术
金属细丝热敏电阻主要应用于对温度精确快速测量的领域,尤其在大气湍流测量方面,其最小的温度分辨率可达0.002℃,最高响应频率可达百Hz以上。其动态特性主要由3dB响应频率f3dB和热时间常数τ来表征,二者的关系如表示,其中,f3dB为热敏电阻的3dB响应频率,τ为热敏电阻的热时间常数,为热敏电阻在阶跃温度激励下,从初始温度T0达到阶跃温度Te的63.2%所用的时间。
对于普通温度传感器,其动态特性的测量通常采用电加热、恒温槽或风洞来产生一个温度的跳变,其缺点是产生的阶跃温度跳变沿较慢、实验费用较高、测量不确定度较大,只适用于响应速度较慢的温度传感器动态特性测量,对于热时间常数为毫秒甚至亚毫秒量级的热敏电阻,其动态特性测量目前尚没有成熟的设备或装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种热敏电阻动态特性测量装置及方法,该装置及方法能够快速、准确测量热敏电阻的热时间常数。
为达到上述目的,本发明所述的热敏电阻动态特性测量装置热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,包括激光器、光纤准直器、光束匀化扩束器、吸收屏、数据采集器、以及用于将吸收屏表面散射的激光转换为电压信号的光电探测器;
激光器发出的激光脉冲经光纤准直器准直、光束匀化扩束器均化后形成均匀光斑,待测量的热敏电阻位于所述均匀光斑内,所述均匀光斑一部分被热敏电阻吸收,另一部分照射到吸收屏上被吸收屏吸收,热敏电阻的两端及光电探测器的输出端均与数据采集器的输入端相连接。
还包括光导放大器,热敏电阻的两端与光导放大器的输入端相连接,光导放大器的输出端与数据采集器的输入端相连接。
光电探测器的输出端通过光伏放大器与数据采集器的输入端相连接。
所述数据采集器为双通道数据采集器。
所述吸收屏为石墨吸收屏。
所述光导放大器包括第一电阻、第二电阻、仪表放大器、第一电位器、第二电位器及电源,第一电阻的一端及第二电阻的一端均与正电源相连接,仪表放大器上的引脚3与第一电阻的另一端及第一电位器的一端相连接,仪表放大器上的引脚2与第二电阻的另一端及待测量的热敏电阻的一端相连接,第一电位器的另一端及待测量的热敏电阻的另一端接地,仪表放大器上的引脚7及引脚4分别接正电源及负电源,仪表放大器上的引脚5接地,仪表放大器上的引脚1经第二电位器与仪表放大器上的引脚8相连接,仪表放大器上的引脚6与数据采集器的输入端相连接。
所述光伏放大器包括第三电阻、第四电阻及运算放大器,光电探测器的负极与正电源相连接,运算放大器的同相输入端与光电探测器的正极及第三电阻的一端相连接,第三电阻的另一端接地,运算放大器的反相输入端经第四电阻与运算放大器的输出端相连接,运算放大器的正电源输入端及负电源输入端分别与正电源及负电源相连接,运算放大器的输出端与数据采集器的输入端相连接。
本发明所述的热敏电阻动态特性测量方法包括以下步骤:
激光器产生矩形激光脉冲,所述矩形激光脉冲经光纤准直器准直为平行光后输入到光束匀化扩束器中,并经所述光束匀化扩束器后形成均匀光斑,其中一部分均匀光斑被待测量热敏电阻的侧面接收,另一部分中的一部分被吸收屏吸收,剩余部分光散射到周围空间中,光电探测器接收吸收屏表面散射的激光,然后经光伏放大器转换为第一电压信号,并将所述第一电压信号输入至数据采集器的一个通道中,同时热敏电阻接收均匀光斑后温度发生变化,进而使热敏电阻的电阻值发生变化,光导放大器将热敏电阻的电阻值变化转换为倒相的第二电压信号,并将所述倒相的第二电压信号输入至数据采集器的另一个通道中,数据采集器根据所述第一电压信号监测激光器发出的矩形激光脉冲;数据采集器根据所述倒相的第二电压信号得待测热敏电阻的动态响应。
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的热敏电阻动态特性测量装置及方法在测量过程中,通过将激光器发出的激光脉冲准直及均化后辐射到光敏电阻的侧面,使光敏电阻升温后达到热平衡,然后利用激光脉冲的下跳沿引起的降温过程来测量热敏电阻的热时间常数,具有较高的测量精度。同时测量的速度较快。激光器恒功率输出激光脉冲的时间宽度可调范围较大,运行成本较低,同时激光脉冲的功率可以达到千瓦级,跳变沿可达到几十微秒级,因此对热敏电阻的热时间常数测量精度较高,并且速度快,能够适用于热时间常数为毫秒或亚毫秒热敏电阻的动态特性测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为实施例一中用于大气温度脉动测量的金属细丝热敏电阻4传感器的结构示意图;
图3为本发明中光导放大器8的电路图;
图4为本发明中光伏放大器9的电路图;
图5为本发明中直径为20μm、长度为2cm钨丝的热时间常数测量的波形图;
图6为本发明中直径为10μm、长度为2cm钨丝的热时间常数测量的波形图;
图7为本发明中直径为8μm、长度为2cm钨丝的热时间常数测量的波形图。
其中,1为激光器、2为光纤准直器、3为光束匀化扩束器、4为热敏电阻、5为光斑、6为吸收屏、7为光电探测器、8为光导放大器、9为光伏放大器、10为数据采集器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
参考图1,本发明所述的热敏电阻动态特性测量装置包括激光器1、光纤准直器2、光束匀化扩束器3、吸收屏6、数据采集器10、以及用于将吸收屏6表面散射的激光转换为电压信号的光电探测器7;激光器1发出的激光脉冲经光纤准直器2准直、光束匀化扩束器3均化后形成均匀光斑5,待测量的热敏电阻4位于所述均匀光斑5内,所述均匀光斑5一部分被热敏电阻4吸收,另一部分照射到吸收屏6上被吸收屏6吸收,热敏电阻4的两端及光电探测器7的输出端均与数据采集器10的输入端相连接。
需要说明的是,本发明还包括光导放大器8,热敏电阻4的两端与光导放大器8的输入端相连接,光导放大器8的输出端与数据采集器10的输入端相连接;光电探测器7的输出端通过光伏放大器9与数据采集器10的输入端相连接;数据采集器10为双通道数据采集器;吸收屏6为石墨吸收屏;光导放大器8包括第一电阻、第二电阻、仪表放大器、第一电位器、第二电位器及电源,第一电阻的一端及第二电阻的一端均与正电源相连接,仪表放大器上的引脚3与第一电阻的另一端及第一电位器的一端相连接,仪表放大器上的引脚2与第二电阻的另一端及待测量的热敏电阻4的一端相连接,第一电位器的另一端及待测量的热敏电阻4的另一端接地,仪表放大器上的引脚7及引脚4分别接正电源及负电源,仪表放大器上的引脚5接地,仪表放大器上的引脚1经第二电位器与仪表放大器上的引脚8相连接,仪表放大器上的引脚6与数据采集器10的输入端相连接;光伏放大器9包括第三电阻、第四电阻及运算放大器,光电探测器7的负极与正电源相连接,运算放大器的同相输入端与光电探测器7的正极及第三电阻的一端相连接,第三电阻的另一端接地,运算放大器的反相输入端经第四电阻与运算放大器的输出端相连接,运算放大器的正电源输入端及负电源输入端分别与正电源及负电源相连接,运算放大器的输出端与数据采集器10的输入端相连接。
本发明所述的热敏电阻动态特性测量方法包括以下步骤:
激光器1产生矩形激光脉冲,所述矩形激光脉冲经光纤准直器2准直为平行光后输入到光束匀化扩束器3中,并经所述光束匀化扩束器3后形成均匀光斑5,其中一部分均匀光斑5被待测量热敏电阻4的侧面接收,另一部分中的一部分被吸收屏6吸收,剩余部分光散射到周围空间中,光电探测器7接收吸收屏6吸收的激光,然后经光伏放大器9转换为第一电压信号,并将所述第一电压信号转发至数据采集器10的一个通道中,同时热敏电阻4接收均匀光斑5温度发生变化,进而使热敏电阻4的电阻值发生变化,光导放大器8将热敏电阻4的电阻值变化转换为倒相的第二电压信号,并将所述倒相的第二电压信号输入至数据采集器10的另一个通道中,数据采集器10根据所述第一电压信号监测激光器1发出的矩形激光脉冲;数据采集器10根据所述倒相的第二电压信号测量待测热敏电阻4的动态响应。
实施例一
在大气光学领域,用于大气温度脉动测量的金属细丝热敏电阻传感器主要由极细的圆柱状铂丝或钨丝制成,通常直径为微米或几十微米量级,被测细丝分别为直径20微米的铂丝和直径分别为10微米和8微米的钨丝,长度均为2厘米,如图2所示。所述用于大气温度脉动测量的金属细丝热敏电阻传感器包括用于温度传感的金属细丝、支撑铜丝、电路接线板。电路接线板上有两条敷铜膜,在敷铜膜的上端各有一个焊盘用于焊接支撑铜丝,敷铜膜的下端各有两个焊盘,用于焊接输出线。测量过程中,仅把金属细丝置于均匀光斑5内,侧面接收激光辐照,其余部分在光斑5外,电路板通过导线与光导放大器8连接,光导放大器8对温度信号进行了倒相放大,用于测量金属细丝的温度变化。
激光器1采用输出功率高达2kW的光纤激光器,输出波长1.07μm,通过光纤准直器2输出平行的矩形激光脉冲,前后沿小于50μs,脉宽100ms可调。
光束匀化扩束器3,采用方形微透镜阵列MLA,尺寸为10mm×10mm×1.2mm,对激光光束进行匀化和扩束,在距离1m处形成一个边长约3cm的方形均匀光斑5。
如图3所示,光导放大器8由惠斯登电桥和仪表放大器组成,其中调节PR1电位器使得仪表放大器的两个输入端电压VA=VB,此时输出电压VO2=0V,表明电桥处于平衡状态。出光后,随着热敏电阻4被激光辐照,其温度逐渐上升,热敏电阻4阻值升高,则电桥平衡被打破,仪表放大器反相输入端电压VA大于同相输入端电压VB,仪表放大器对二输入端电压的差值VB-VA进行放大,由VO2输出。注意:这里VO2的电压随热敏电阻4的温度呈线性变化,而且方向相反。
光伏放大器9如图4所示,由光电探测器7采用接收来自石墨屏的散射光,把光信号变为电流信号,在第三电阻R4上产生电压,通过运算放大器构成的跟随器,输出与PIN接收光功率呈正比的电压信号VO1,用来实时监测激光脉冲的变化。
数据采集器10采用立科公司生产的四通道数字示波器,使用其中的通道C1采集并显示实时激光监测波形,通道C2用于采集并显示金属细丝的温度变化波形。其中,通道C1矩形脉冲上升沿表示激光出光的过程,对应通道C2的下降沿表示金属细丝受激光辐照温度上升的过程;通道C1矩形脉冲下降沿表示激光脉冲停止出光的过程,对应通道C2的上升沿表示金属细丝温度下降的过程。由于激光脉冲关断过程更快,而且实验室室温非常稳定,便于测量,因此采用激光脉冲持续约100ms,金属细丝温度稳定后,关断激光产生的下跳沿作为激励,对应通道C2的上升沿,测量其幅度变化的63.2%所需要的时间,即可获得被测金属细丝热敏电阻4的热时间常数τ,进而算出其3dB响应频率f3dB。图5~图7给出了三种细丝热敏电阻4在实验室(风速为0m/s)测量的波形。
Claims (8)
1.一种热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,包括激光器(1)、光纤准直器(2)、光束匀化扩束器(3)、吸收屏(6)、数据采集器(10)、以及用于将吸收屏(6)表面散射的激光转换为电压信号的光电探测器(7);
激光器(1)发出的激光脉冲经光纤准直器(2)准直、光束匀化扩束器(3)均化后形成均匀光斑(5),待测量的热敏电阻(4)位于所述均匀光斑(5)内,所述均匀光斑(5)一部分被热敏电阻(4)吸收,另一部分照射到吸收屏(6)上被吸收屏(6)吸收,热敏电阻(4)的两端及光电探测器(7)的输出端均与数据采集器(10)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,还包括光导放大器(8),热敏电阻(4)的两端与光导放大器(8)的输入端相连接,光导放大器(8)的输出端与数据采集器(10)的输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,光电探测器(7)的输出端通过光伏放大器(9)与数据采集器(10)的输入端相连接。
4.根据权利要求1所述的热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,所述数据采集器(10)为双通道数据采集器。
5.根据权利要求1所述的热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,所述吸收屏(6)为石墨吸收屏。
6.根据权利要求1所述的热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,所述光导放大器(8)包括第一电阻、第二电阻、仪表放大器、第一电位器、第二电位器及电源,第一电阻的一端及第二电阻的一端均与正电源相连接,仪表放大器上的引脚3与第一电阻的另一端及第一电位器的一端相连接,仪表放大器上的引脚2与第二电阻的另一端及待测量的热敏电阻(4)的一端相连接,第一电位器的另一端及待测量的热敏电阻(4)的另一端接地,仪表放大器上的引脚7及引脚4分别接正电源及负电源,仪表放大器上的引脚5接地,仪表放大器上的引脚1经第二电位器与仪表放大器上的引脚8相连接,仪表放大器上的引脚6与数据采集器(10)的输入端相连接。
7.根据权利要求6所述的热敏电阻动态特性测量装置,其特征在于,所述光伏放大器(9)包括第三电阻、第四电阻及运算放大器,光电探测器(7)的负极与正电源相连接,运算放大器的同相输入端与光电探测器(7)的正极及第三电阻的一端相连接,第三电阻的另一端接地,运算放大器的反相输入端经第四电阻与运算放大器的输出端相连接,运算放大器的正电源输入端及负电源输入端分别与正电源及负电源相连接,运算放大器的输出端与数据采集器(10)的输入端相连接。
8.一种热敏电阻动态特性测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
激光器(1)产生矩形激光脉冲,所述矩形激光脉冲经光纤准直器(2)准直为平行光后输入到光束匀化扩束器(3)中,并经所述光束匀化扩束器(3)后形成均匀光斑(5),其中一部分均匀光斑(5)被待测量热敏电阻(4)的侧面接收,另一部分中的一部分被吸收屏(6)吸收,剩余另一部分光散射到周围空间中,光电探测器(7)接收吸收屏(6)表面散射的激光,然后经光伏放大器(9)转换为第一电压信号,并将所述第一电压信号转发至数据采集器(10)的一个通道中,同时热敏电阻(4)接收均匀光斑(5)后热敏电阻(4)的温度发生变化,进而使热敏电阻(4)的电阻值发生变化,光导放大器(8)将热敏电阻(4)的电阻值变化转换为倒相的第二电压信号,并将所述倒相的第二电压信号输入至数据采集器(10)的另一个通道中,数据采集器(10)根据所述第一电压信号监测激光器(1)发出的矩形激光脉冲;数据采集器(10)根据所述倒相的第二电压信号测量待测热敏电阻(4)的动态响应。
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