CN108181017A - 基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统及方法。本发明采用微型振动换能器为测温电路供电，当有振动产生时，环形磁铁在支撑架内沿中心轴上下运动，线圈切割环形磁铁的磁感线，产生感应电流，实现了自供电的目的，使得嵌入式系统成为了可能，利用振动发电原理节约能源，达到了绿色环保的目标；信号处理单元采用温度转换芯片，在节省测温电路系统的面积的同时，使测试测温电路系统达到小型化的要求；采用热电偶的温度传感器测试温度，提高了系统的测试精度；将温度数据存入信号存储单元，进行后期读取的同时也可令机电系统通过接线与计算机实时通讯，为嵌入式系统的实现打下基础。

Description

基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统及方法
技术领域
本发明涉及温度测试技术，具体涉及一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统及其测量方法。
背景技术
随着技术的发展，机电系统不但在灵敏度、精确度等方面要求严格，而且对于机电系统的安全性也提出了较高要求。当机电系统工作时，其可能会暴露在各种极端环境下，其中高温环境就是常见环境之一。一旦机电系统在高温环境下失效，会引起连锁反应，造成巨大损失。所以基于机电系统的温度测试系统的研究有十分重要的意义。
热电偶是温度测量领域中常用的测温传感器，它把两种不同材料的导体组合在一起。只要两端结点处的温度不同，回路中就会产生一个电动势，该电动势与导体的材料及两节点的温度有关。由于其测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便，所以应用广泛。
因为在机电系统温度测量时，需要测量机电系统内部封闭空间中，上下左右等不同点的温度，所以现有的手段往往存在着很多问题，例如：考虑电路中需要放大、滤波、冷端补偿时，使得测温电路系统复杂、实验费用高、测温电路系统体积庞大；机电系统内部温度高，测温电路系统耐高温差；机电系统内部测温电路系统供电和数据导出等一系列的问题。
因此，研究一种新型基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统显得尤为重要。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统及其测试方法，根据高温烤燃测试要求，具体在0～800℃范围内进行温度测量。
本发明的一个目的在于提出一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统。
本发明的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统包括：微型振动换能器、测温电路、温度传感器、隔热装置和计算机；其中，温度测试系统位于机电系统内；隔热装置为壳体；微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端位于隔热装置内；一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；温度传感器的输出端连接至测温电路；测温电路连接微型振动换能器；微型振动换能器包括支撑架、环形磁铁、弹簧、线圈和引线，支撑架包括顶壁、底壁、侧壁和中心轴，顶壁、底壁和侧壁围成封闭的空腔，在空腔内的中心为竖直的中心轴，环形磁铁同轴套在中心轴上，环形磁铁通过弹簧连接至支撑架的顶壁或底壁，在支撑架的侧壁外缠绕水平的线圈，线圈的两端分别连接导线至测温电路；当有振动产生时，环形磁铁在支撑架内沿中心轴上下运动，线圈切割环形磁铁的磁感线，产生感应电流；感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，存储起来；测温电路通过串口转换器连接至机电系统外的计算机，计算机读取数据并显示。
测温电路包括：储能单元、指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；其中，储能单元分别连接至指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；信号处理单元连接至信号控制单元；信号控制单元连接至信号存储单元；储能单元包括整流桥、电容、开关和稳压芯片，整流桥、电容和稳压芯片依次连接，电容连接开关，稳压芯片分别连接至指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；连接线圈的两根导线连接至整流桥；温度传感器的输出端连接至信号处理单元；微型振动换能器输出的感应电流经过整流桥整流变成直流电，直流电传输至电容并存储在电容上，当需要工作时打开开关，电容放电，经稳压芯片后输出，指示单元的电源指示灯被点亮；温度传感器输出端的电压信号传输至信号处理单元，信号处理单元采用温度转换芯片，对电压信号进行放大滤波冷端补偿变成数字信号，传输至信号控制单元，信号控制单元控制采样频率，取等时间间隔的数据进行输出，传输至信号存储单元，并存储在信号存储单元；采用耐高温传输线将信号控制单元通过串口转换器连接至外部的计算机，信号控制单元调取信号存储单元中的数据在计算机实时显示输出；或者机电系统停止工作后，将温度测试系统取出，将信号控制单元通过串口转换器连接至计算机，信号控制单元调取信号存储单元中的数据在计算机上显示。
隔热装置包括隔热壳体及贴附在其内壁的隔热填充料，隔热装置主要是为了保护微型振动换能器和测温电路，在隔热壳体开设多个通孔将温度传感器的探头伸出。温度传感器的探头不能与机电系统直接接触，可以在温度传感器的探头上设置绝缘层。
温度传感器采用热电偶，两种不同材料的金属组合在一起，只要两端结点处的温度不同，回路中就会产生一个电动势。
微型振动换能器与测温电路刚性固定在一起。计算机通过串行调试接口SWD(serial wire debug)将程序下载到测温电路的信号控制单元中，总体控制数据的流向。当读取数据时计算机通过串口转换器将数据信号传输至计算机上显示。
本发明的另一个目的在于提供一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的控制方法。
本发明的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的数据存储控制方法，包括以下步骤：
1)将温度传感器的输出端连接至测温电路，测温电路连接微型振动换能器；
2)通过运输过程中的振动使微型振动换能器发电并存储在测温电路中；
3)打开测温电路的开关，通过串行调试接口将测温电路与计算机连接在一起，将程序写入测温电路的信号控制单元中，然后断开测温电路与计算机的连接；
4)将微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端设置隔热装置内，一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；
5)将温度测试系统放置在机电系统内，调整温度传感器的探头在机电系统内的位置；
6)对机电系统进行加热，感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；
测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，存储起来；
7)到预定时间取出温度测试系统放置，将测温电路通过串口转换器连接至计算机；
8)计算机读取存储的数据，并输出显示。
本发明的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的实时通讯控制方法，包括以下步骤：
1)将温度传感器的输出端连接至测温电路，测温电路连接微型振动换能器；
2)通过运输过程中的振动使微型振动换能器发电并存储在测温电路中；
3)打开测温电路的开关，通过串行调试接口将测温电路与计算机连接在一起，将程序写入测温电路的信号控制单元中，然后断开测温电路与计算机的连接；
4)将微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端设置隔热装置内，一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；
5)将温度测试系统放置在机电系统内，调整温度传感器的探头在机电系统内的位置，采用耐高温传输线将测温电路通过串口转换器连接至机电系统外的计算机；
6)对机电系统进行加热，感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；
测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，并传输至计算机；
7)计算机实时读取测温电路的数据，并输出显示。
其中，在步骤2)中，当有振动产生时，环形磁铁在支撑架内沿中心轴上下运动，线圈切割环形磁铁的磁感线，产生感应电流；感生电流传输至测温电路，并存储在测温电路中。
在步骤6)中，测温电路的储能单元的整流桥将微型振动换能器输出的感应电流整流变成直流电，直流电传输至储能单元的电容并存储在电容上，打开开关后，电容放电，经稳压芯片后输出，指示单元的电源指示灯被点亮；温度传感器输出端的电压信号传输至信号处理单元，信号处理单元采用温度转换芯片，对电压信号进行放大滤波冷端补偿变成数字信号，传输至信号控制单元，信号控制单元控制采样频率，取等时间间隔的数据进行输出，传输至信号存储单元，并存储在信号存储单元。
本发明的优点：
本发明采用微型振动换能器为测温电路供电，当有振动产生时，环形磁铁在支撑架内沿中心轴上下运动，线圈切割环形磁铁的磁感线，产生感应电流，实现了自供电的目的，使得嵌入式系统成为了可能，利用振动发电原理节约能源，达到了绿色环保的目标；信号处理单元采用温度转换芯片，在节省测温电路系统的面积的同时，使测试测温电路系统达到小型化的要求；采用热电偶的温度传感器测试温度，提高了系统的测试精度；将温度数据存入信号存储单元，进行后期读取的同时也可令机电系统通过接线与计算机实时通讯，为嵌入式系统的实现打下基础。
附图说明
图1为本发明的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的一个实施例的剖面图；
图2为本发明的本发明的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的一个实施例的微型振动换能器的示意图；
图3为本发明的本发明的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的一个实施例的测温电路的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统包括：微型振动换能器、测温电路2、温度传感器4、隔热装置1和计算机；其中，温度测试系统位于机电系统内；隔热装置1包括隔热壳体11及贴附在其内壁的隔热填充料12；微型振动换能器、测温电路2和温度传感器4的输出端位于隔热装置1内；温度传感器4的探头从隔热装置的通孔伸出；温度传感器的输出端连接至测温电路2；测温电路2连接微型振动换能器。温度传感器采用三路热电偶温度传感器。
如图2所示，微型振动换能器包括顶壁36、底壁37、侧壁32和中心轴31构成的支撑架、环形磁铁33、弹簧34、线圈35和引线，支撑架的中心为竖直的中心轴31，环形磁铁33同轴套在中心轴31上，环形磁铁33通过弹簧34连接至支撑架的顶壁36，在支撑架的侧壁32外缠绕水平的线圈35，线圈35的两端分别连接导线至测温电路2。
如图3所示，测温电路包括：储能单元、指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；测温电路包括：储能单元、指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；其中，储能单元分别连接至指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；信号处理单元连接至信号控制单元；信号控制单元连接至信号存储单元；储能单元包括整流桥、电容、开关和稳压芯片，整流桥、电容和稳压芯片依次连接，电容连接开关，稳压芯片分别连接至指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；连接线圈的两根导线连接至整流桥；温度传感器的输出端连接至信号处理单元；微型振动换能器输出的感应电流经过整流桥整流变成直流电，直流电传输至电容并存储在电容上，当需要工作时打开开关，电容放电，经稳压芯片后将电压为稳定的3.3V电压输出，指示单元的电源指示灯被点亮；温度传感器输出端的电压信号传输至信号处理单元，信号处理单元采用温度转换芯片，对电压信号进行放大滤波冷端补偿变成数字信号，传输至信号控制单元，信号控制单元控制采样频率，取等时间间隔的数据进行输出，传输至信号存储单元，并存储在信号存储单元；采用耐高温传输线将信号控制单元通过串口转换器连接至外部的计算机，信号控制单元调取信号存储单元中的数据在计算机实时显示输出；或者机电系统停止工作后，将温度测试系统取出，将信号控制单元通过串口转换器连接至计算机，信号控制单元调取信号存储单元中的数据在计算机上显示。信号处理单元采用MAX6675温度转换芯片；信号控制单元采用STM32单片机芯片。
实施例一
本实施例中的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的数据存储控制方法，包括以下步骤：
1)将温度传感器的输出端连接至测温电路，测温电路连接微型振动换能器；
2)通过运输过程中的振动使微型振动换能器发电并存储在测温电路中；
3)打开测温电路的开关，通过串行调试接口将测温电路与计算机连接在一起，将程序写入测温电路的信号控制单元中，然后断开测温电路与计算机的连接；
4)将微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端设置隔热装置内，一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；
5)将温度测试系统放置在机电系统内，调整温度传感器的探头在机电系统内的位置；
6)对机电系统进行加热，感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；
测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，存储起来；
7)到预定时间取出温度测试系统放置，将测温电路通过串口转换器连接至计算机；
8)计算机读取存储的数据，并输出显示。
实施例二
本实施例的基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的实时通讯控制方法，包括以下步骤：
1)将温度传感器的输出端连接至测温电路，测温电路连接微型振动换能器；
2)通过运输过程中的振动使微型振动换能器发电并存储在测温电路中；
3)打开测温电路的开关，通过串行调试接口转USB接口将测温电路与计算机连接在一起，将程序写入测温电路的信号控制单元中，然后断开测温电路与计算机的连接；
4)将微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端设置隔热装置内，一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；
5)将温度测试系统放置在机电系统内，调整温度传感器的探头在机电系统内的位置，采用耐高温传输线将测温电路通过串口转换器连接至机电系统外的计算机；
6)对机电系统进行加热，感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；
测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，并传输至计算机；
7)计算机实时读取测温电路的数据，并输出显示。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统，其特征在于，所述温度测试系统包括：微型振动换能器、测温电路、温度传感器、隔热装置和计算机；其中，所述温度测试系统位于机电系统内；所述隔热装置为壳体；所述微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端位于隔热装置内；一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；温度传感器的输出端连接至测温电路；所述测温电路连接微型振动换能器；所述微型振动换能器包括支撑架、环形磁铁、弹簧、线圈和引线，支撑架包括顶壁、底壁、侧壁和中心轴，顶壁、底壁和侧壁围成封闭的空腔，在空腔内的中心为竖直的中心轴，环形磁铁同轴套在中心轴上，所述环形磁铁通过弹簧连接至支撑架的顶壁或底壁，在支撑架的侧壁外缠绕水平的线圈，所述线圈的两端分别连接导线至测温电路；当有振动产生时，环形磁铁在支撑架内沿中心轴上下运动，线圈切割环形磁铁的磁感线，产生感应电流；感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，存储起来；测温电路通过串口转换器连接至机电系统外的计算机，计算机读取数据并显示。
2.如权利要求1所述的温度测试系统，其特征在于，所述测温电路包括：储能单元、指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；其中，所述储能单元分别连接至指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；所述信号处理单元连接至信号控制单元；所述信号控制单元连接至信号存储单元；所述储能单元包括整流桥、电容、开关和稳压芯片，所述整流桥、电容和稳压芯片依次连接，电容连接开关，所述稳压芯片分别连接至指示单元、信号处理单元、信号控制单元和信号存储单元；所述连接线圈的两根导线连接至整流桥；所述温度传感器的输出端连接至信号处理单元；微型振动换能器输出的感应电流经过整流桥整流变成直流电，直流电传输至电容并存储在电容上，当需要工作时打开开关，电容放电，经稳压芯片后输出，指示单元的电源指示灯被点亮；温度传感器输出端的电压信号传输至信号处理单元，信号处理单元采用温度转换芯片，对电压信号进行放大滤波冷端补偿变成数字信号，传输至信号控制单元，信号控制单元控制采样频率，取等时间间隔的数据进行输出，传输至信号存储单元，并存储在信号存储单元；采用耐高温传输线将信号控制单元通过串口转换器连接至外部的计算机，信号控制单元调取信号存储单元中的数据在计算机实时显示输出；或者机电系统停止工作后，将温度测试系统取出，将信号控制单元通过串口转换器连接至计算机，信号控制单元调取信号存储单元中的数据在计算机上显示。
3.如权利要求1所述的温度测试系统，其特征在于，所述隔热装置包括隔热壳体及贴附在其内壁的隔热填充料，在隔热壳体开设多个通孔将温度传感器的探头伸出。
4.如权利要求1所述的温度测试系统，其特征在于，进一步包括绝缘层，所述绝缘层设置在温度传感器的探头上。
5.如权利要求1所述的温度测试系统，其特征在于，所述温度传感器采用热电偶。
6.如权利要求1所述的温度测试系统，其特征在于，所述微型振动换能器与测温电路刚性固定在一起。
7.一种方法基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的数据存储控制方法，其特征在于，所述数据存储控制方法包括以下步骤：
1)将温度传感器的输出端连接至测温电路，测温电路连接微型振动换能器；
2)通过运输过程中的振动使微型振动换能器发电并存储在测温电路中；
3)打开测温电路的开关，通过串行调试接口将测温电路与计算机连接在一起，将程序写入测温电路的信号控制单元中，然后断开测温电路与计算机的连接；
4)将微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端设置隔热装置内，一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；
5)将温度测试系统放置在机电系统内，调整温度传感器的探头在机电系统内的位置；
6)对机电系统进行加热，感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；
测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，存储起来；
7)到预定时间取出温度测试系统放置，将测温电路通过串口转换器连接至计算机；
8)计算机读取存储的数据，并输出显示。
8.如权利要求7所述的数据存储控制方法，其特征在于，在步骤6)中，测温电路的储能单元的整流桥将微型振动换能器输出的感应电流整流变成直流电，直流电传输至储能单元的电容并存储在电容上，打开开关后，电容放电，经稳压芯片后输出，指示单元的电源指示灯被点亮；温度传感器输出端的电压信号传输至信号处理单元，信号处理单元采用温度转换芯片，对电压信号进行放大滤波冷端补偿变成数字信号，传输至信号控制单元，信号控制单元控制采样频率，取等时间间隔的数据进行输出，传输至信号存储单元，并存储在信号存储单元。
9.一种基于机电系统的自供电嵌入式热电偶温度测试系统的实时通讯控制方法，其特征在于，所述实时通讯控制方法包括以下步骤：
1)将温度传感器的输出端连接至测温电路，测温电路连接微型振动换能器；
2)通过运输过程中的振动使微型振动换能器发电并存储在测温电路中；
3)打开测温电路的开关，通过串行调试接口将测温电路与计算机连接在一起，将程序写入测温电路的信号控制单元中，然后断开测温电路与计算机的连接；
4)将微型振动换能器、测温电路和温度传感器的输出端设置隔热装置内，一个或多个温度传感器的探头从隔热装置的通孔伸出；
5)将温度测试系统放置在机电系统内，调整温度传感器的探头在机电系统内的位置，采用耐高温传输线将测温电路通过串口转换器连接至机电系统外的计算机；
6)对机电系统进行加热，感生电流传输至测温电路，为测温电路提供电源；温度传感器的探头采集机电系统内的温度，将温度信号转换为电压信号通过输出端传输至测温电路；
测温电路对电压信号进行处理后转换成数字信号，并传输至计算机；
7)计算机实时读取测温电路的数据，并输出显示。
10.如权利要求9所述的实时通讯控制方法，其特征在于，在步骤6)中，测温电路的储能单元的整流桥将微型振动换能器输出的感应电流整流变成直流电，直流电传输至储能单元的电容并存储在电容上，打开开关后，电容放电，经稳压芯片后输出，指示单元的电源指示灯被点亮；温度传感器输出端的电压信号传输至信号处理单元，信号处理单元采用温度转换芯片，对电压信号进行放大滤波冷端补偿变成数字信号，传输至信号控制单元，信号控制单元控制采样频率，取等时间间隔的数据进行输出，传输至信号存储单元，并存储在信号存储单元。
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