CN114353987A - 一种试管测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度测量领域，特别涉及化学实验用试管内部的温度测量领域。一种试管测温装置，将磁致伸缩传感器置于感应线圈与激励线圈内，向激励线圈输入一定频率范围内的正弦波信号，激励线圈产生交变磁场，磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，感应线圈输出感应电压。通过检测感应线圈感应电压最大值，即可得到磁致伸缩传感器共振频率，通过实验得到试管温度与磁致伸缩传感器共振频率对应曲线。本测温装置中使用的磁致伸缩传感器无源、无线，便于实验人员操作试管，不影响实验的开展。

Description

一种试管测温装置

技术领域

本发明涉及温度测量领域，特别涉及化学实验用试管内部的温度测量领域。

背景技术

在化学实验中通常需要对试管温度进行测量，传统的试管温度检测方法是将温度计置于试管内或者将温度传感器粘贴于试管表面，由实验人员读取温度计数值，需要占用实验人员时间，测量过程随时可能会打断试验，且可能存在温度计数值读取错误。中国专利CN104549595A（一种可测量温度的试管）、CN205684059U（可测温的试管）将温度计放置在试管与外壳之间，需实验人员读取温度计数值。

将温度传感器粘贴于试管表面，温度传感器感应试管温度值通过数据线传输至处理器，处理器接收数据并转换后进行显示，这种方法由于试管壁的影响车辆精度会降低，且采用有源、有线连接方式，试管移动范围受限，不利于实验的开展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种对试管内容测量精度高，移动方便，便于化学实验用试管内部的温度测量的装置。 本发明所采用的技术方案是：一种试管测温装置，包括条状的磁致伸缩传感器（3）、感应线圈（4）、激励线圈（5）、激励信号驱动驱动模块、感应线圈电压检测模块、上位机，磁致伸缩传感器（3）的长度方向平行于试管（1）安装在试管（1）内部，感应线圈（4）和激励线圈（5）套在试管（1）周侧，磁致伸缩传感器（3）处于感应线圈（4）和激励线圈（5）内部，激励信号驱动驱动模块连接激励线圈（5），感应线圈电压检测模块连接感应线圈（4），使用过程中，激励信号驱动驱动模块持续发送递增频率或者递减频率的相同电压的电信号给激励线圈（5），每个频率的信号都为一个周期，完成后再发生下一个频率，激励线圈（5）产生激励磁场，磁致伸缩传感器（3）在激励磁场中发生振动，感应线圈电压检测模块检测感应线圈（4）的电压大小并发送给上位机，上位机检测感应线圈（4）最大电压情况下激励信号驱动驱动模块发送的电信号对应的频率即磁致伸缩传感器的共振频率，在温度测量区间，磁致伸缩传感器的共振频率与其温度成一一对应关系，上位机通过磁致伸缩传感器的共振频率获得磁致伸缩传感器的温度。

该试管测温装置还包括可编程逻辑器件FPGA、无线通信模块，上位机通过无线通信模块给可编程逻辑器件FPGA发送激励正弦波信号频率范围，可编程逻辑器件FPGA根据激励正弦波信号频率范围发送正弦波信号给激励信号驱动驱动模块，激励信号驱动驱动模块发送递增频率或者递减频率的相同电压的正弦波信号给激励线圈（5）。

激励信号驱动驱动模块包括DA转换电路、信号放大电路，激励信号驱动驱动模块将正弦波信号经DA转换与放大后发送给激励线圈（5）。

可编程逻辑器件FPGA连接感应线圈电压检测模块，可编程逻辑器件FPGA在发送正弦波信号给激励信号驱动驱动模块同时通过感应线圈电压检测模块实时获得感应线圈（4）的电压值并将该电压值存储在可编程逻辑器件FPGA的RAM存储器中，可编程逻辑器件FPGA以步进频率增加或者减少发送给激励信号驱动驱动模块的正弦波信号的频率，可编程逻辑器件FPGA在输出正弦波信号由起止频率到终止频率的一个周期内，可编程逻辑器件FPGA获得该周期内RAM存储器中存储电压值的最大值，该最大值对应的正弦波信号频率即为磁致伸缩传感器共振频率。

磁致伸缩传感器（3）固定在试管（1）的底部。

该试管测温装置还包括显示模块，显示模块实时显示共振频率获得磁致伸缩传感器的温度，并传输至上位机。

利用磁致伸缩传感器感应试管温度，将磁致伸缩传感器粘贴于试管底部，磁致伸缩传感器置于感应线圈与激励线圈内，激励线圈两端输入正弦波信号产生交变磁场，磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，感应线圈输出感应电压。磁致伸缩传感器的共振频率随试管温度变化而改变，可通过实验得到试管温度与磁致伸缩传感器共振频率对应曲线。当输入正弦波频率与磁致伸缩传感器共振频率相等时，感应线圈的感应电压值最大。通过检测感应线圈感应电压最大值，即可得到磁致伸缩传感器共振频率，由试管温度与磁致伸缩传感器共振频率对应曲线，可计算得到试管温度值。

本发明使用可编程逻辑器件FPGA（简称FPGA）作为系统控制单元，通过无线通信模块接收上位机发送的激励信号频率范围，使用FPGA内部逻辑资源设计正弦波信号发生器，利用FPGA内部RAM作为存储器，将正弦波信号采样值写入存储器，存储器读地址时钟频率等于输出正弦波信号频率乘以单周期内采样点个数。FPGA输出正弦波信号至激励信号驱动电路，激励信号驱动电路完成正弦波信号的DA转换与信号放大，并输出至激励线圈，激励线圈产生交变磁场。磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，感应线圈输出感应电压，感应电压输出至感应线圈电压检测模块。感应线圈电压检测模块由放大电路、有效值转换电路、AD转换电路组成，有效值转换电路选用LTC1968芯片或AD536A芯片实现，将感应线圈输出的交流电压转换成有效值直流电压，AD转换电路选用模数转换芯片实现，将有效值转换电路输出的有效值直流电压转换成数字信号，并输出至FPGA控制器。利用FPGA内部逻辑资源，设计AD转换器数据读取时序，读取AD转换电路输出的感应线圈感应电压值，将当前FPGA输出正弦波频率与感应线圈感应电压值存储到FPGA内部RAM存储器，根据接收上位机发送的激励正弦波频率范围，以步进频率增加输出正弦波频率，同时存储感应线圈感应电压值。

FPGA输出正弦波激励信号由起止频率到终止频率的一个周期内，判断感应线圈感应电压最大值，最大值对应的正弦波频率即为磁致伸缩传感器共振频率。磁致伸缩传感器共振频率随试管温度变化而改变，通过实验得到试管温度与磁致伸缩传感器共振频率对应曲线，根据磁致伸缩传感器共振频率，即可计算得到当前试管温度值。当前试管温度值传输至显示模块，可在数码管、LCD液晶屏上实时显示，并可通过蓝牙、Wifi无线通信模块传输至上位机。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1的俯视图；

其中：1、试管；2、支架；3、磁致伸缩传感器；4、感应线圈；5、激励线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例进一步叙述本发明的实现过程。将32mm*6mm的矩形条状磁致伸缩传感器竖直粘贴于试管底部，如图1所示，磁致伸缩传感器置于感应线圈（线径0.16mm，237匝，长度38mm）和激励线圈内（线径0.16mm，200匝，长度48mm）内，感应线圈放置在激励线圈里面，激励线圈直径大于感应线圈直径，使用可编程逻辑器件FPGA作为系统控制单元。

该装置工作时，上位机通过无线通信模块（蓝牙或Wifi）发送数据给可编程逻辑器件FPGA，发送数据为激励信号的频率范围（该范围可以通过经验或者试验来获得），发送数据由9字节组成，第1字节表示帧类型，定义为0xA1（上位机与系统控制单元（可编程逻辑器件FPGA）传输数据分为数据帧、应答帧、重传帧），第2字节表示节点ID（0x00-0xFF）（上位机可以与多个测温装置通信，即可以同时控制多个试管进行温度测试，本实施例为一个试管，每个测温装置作为节点，定义不同的ID），第3、4字节表示激励信号起始频率，第5、6字节表示激励信号终止频率，第7、8字节表示激励信号步进频率（可以是正或者负，本实施例为正，步进频率为一个恒定值，理论上来说步进频率数值越小越好（步进频率越小测量结果越精确），但是实际过程中步进频率越小，需要测量的时间越长，可以根据实际需要选择，如为10赫兹），第9字节为校验，采用循环冗余校验CRC-8校验。无线通信模块通过UART串口发送数据至FPGA，FPGA接收到数据后按照CRC-8算法进行校验，如校验结果正确（采用现有校验技术），FPGA通过无线通信模块发送应答信息给上位机，应答信息由2个字节组成，1字节表示帧类型，定义为0xA2，2字节定义为节点ID（0x00-0xFF）；如校验错误，FPGA通过无线通信模块发送重传信息，重传信息由2个字节组成，1字节表示帧类型，定义为0xA3，2字节定义为节点ID（0x00-0xFF），通过无线通信模块将重传信息发送FPGA。

可编程逻辑器件FPGA接收到数据并校验无误后，提取第3、4字节为激励信号起始频率，提取第5、6字节为激励信号终止频率，提去第7、8字节激励信号步进频率。利用FPGA内部RAM作为存储器，将正弦波信号（等电压的正弦交流信号）数据存入存储器1（如使用Matlab软件产生正弦波信号，对其采样得到正弦波信号），存储器读地址时钟频率等于输出正弦波信号频率乘以单周期内采样点个数，单周期内采样点个数设置为128，可编程逻辑器件FPGA输出激励正弦波信号，正弦波信号频率为激励信号起始频率，FPGA输出的激励正弦波信号传输至激励信号驱动电路，激励信号驱动电路由DA转换、信号放大电路组成，DA转换电路将FPGA输出的数字正弦波信号转换成模拟信号，信号放大电路对转换后的模拟正弦波信号进行放大，并传输至激励线圈，驱动激励线圈产生交变磁场。

磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，感应线圈输出感应电压，并传输至感应线圈电压检测模块，电压放大电路对感应线圈输出的感应电压进行放大，有效值转换电路将放大后的交流电压转换成有效值，有效值转换电路选用LTC1968芯片或AD536A芯片实现，AD转换电路将转换后的有效值转换成数字直流电压，数字直流电压输出至FPGA控制器，利用FPGA内逻辑资源设计AD转换器数据读取时序（根据AD转换器芯片数据读取时序设计，属于现有技术），得到AD转换电路输出的感应线圈到感应电压值。

将FPGA输出的正弦波信号的频率与得到的感应线圈感应电压值存储至FPGA内部RAM存储器2，根据上位机发送的正弦波频率范围信息，按步进频率依次增加输出正弦波频率，并得到输出频率对应的感应线圈感应电压值，直至FPGA输出正弦波频率等于上位机发送的激励信号终止频率。根据存储的感应线圈感应电压值，判断最大值，最大值对应的正弦波频率即为磁致伸缩传感器共振频率。通过实验得到试管温度与磁致伸缩传感器共振频率对应曲线（依次增加试管温度，测量不同温度下对应的磁致伸缩传感器共振频率，得到试管温度与磁致伸缩传感器共振频率对应曲线），根据磁致伸缩传感器共振频率，即可计算得到当前试管温度值。

利用FPGA内部逻辑资源设计数码管、LCD液晶显示屏驱动程序，可将计算得到的温度值在显示模块中显示；利用FPGA内部逻辑资源设计UART串行通信接口，实现FPGA与蓝牙模块、Wifi无线通信模块的连接，可将温度值通过蓝牙、Wifi无线通信模块传输至上位机，FPGA内部各功能模块使用硬件描述语言VHDL或Verilog HDL描述，利用FPGA内部逻辑资源设计实现。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种试管测温装置，其特征在于：包括条状的磁致伸缩传感器（3）、感应线圈（4）、激励线圈（5）、激励信号驱动驱动模块、感应线圈电压检测模块、上位机，磁致伸缩传感器（3）的长度方向平行于试管（1）安装在试管（1）内部，感应线圈（4）和激励线圈（5）套在试管（1）周侧，磁致伸缩传感器（3）处于感应线圈（4）和激励线圈（5）内部，激励信号驱动驱动模块连接激励线圈（5），感应线圈电压检测模块连接感应线圈（4），使用过程中，激励信号驱动驱动模块持续发送递增频率或者递减频率的相同电压的电信号给激励线圈（5），激励线圈（5）产生激励磁场，磁致伸缩传感器（3）在激励磁场中发生振动，感应线圈电压检测模块检测感应线圈（4）的电压大小并发送给上位机，上位机检测感应线圈（4）最大电压情况下激励信号驱动驱动模块发送的电信号对应的频率即磁致伸缩传感器的共振频率，在温度测量区间，磁致伸缩传感器的共振频率与其温度成一一对应关系，上位机通过磁致伸缩传感器的共振频率获得磁致伸缩传感器的温度。

2.根据权利要求1所述的一种试管测温装置，其特征在于：该试管测温装置还包括可编程逻辑器件FPGA、无线通信模块，上位机通过无线通信模块给可编程逻辑器件FPGA发送激励正弦波信号频率范围，可编程逻辑器件FPGA根据激励正弦波信号频率范围发送正弦波信号给激励信号驱动驱动模块，激励信号驱动驱动模块发送递增频率或者递减频率的相同电压的正弦波信号给激励线圈（5）。

3.根据权利要求2所述的一种试管测温装置，其特征在于：激励信号驱动驱动模块包括DA转换电路、信号放大电路，激励信号驱动驱动模块将正弦波信号经DA转换与放大后发送给激励线圈（5）。

4.根据权利要求2所述的一种试管测温装置，其特征在于：可编程逻辑器件FPGA连接感应线圈电压检测模块，可编程逻辑器件FPGA在发送正弦波信号给激励信号驱动驱动模块同时通过感应线圈电压检测模块实时获得感应线圈（4）的电压值并将该电压值存储在可编程逻辑器件FPGA的RAM存储器中，可编程逻辑器件FPGA以步进频率增加或者减少发送给激励信号驱动驱动模块的正弦波信号的频率，可编程逻辑器件FPGA在输出正弦波信号由起止频率到终止频率的一个周期内，可编程逻辑器件FPGA获得该周期内RAM存储器中存储电压值的最大值，该最大值对应的正弦波信号频率即为磁致伸缩传感器共振频率。

5.根据权利要求1所述的一种试管测温装置，其特征在于：磁致伸缩传感器（3）固定在试管（1）的底部。

6.根据权利要求1所述的一种试管测温装置，其特征在于：该试管测温装置还包括显示模块，显示模块实时显示共振频率获得磁致伸缩传感器的温度，并传输至上位机。

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