热流传感器信号采集系统硬件设计-工业控制

摘要：为了解热流传感器的自身温度与输出的具体数量关系，设计一种基于C8051单片机的热流传感器信号采集系统。该系统增加专用的温度信号采集模块，使系统结构更小，功能更多，且数据采集更精确，从而为后续数据处理奠定基础。
关键词：热流；热流传感器；温度；AD623；MAX291；MAX6675

1 引言
热流又称热流密度，指单位时间内单位面积所传递的热量(矢量)。其表征就是转移的热量、传递的大小和方向，而热流传感器(热流计或热流量计)就是测量热流大小的元件。热流的测试方法很多，有瞬态法，水卡法等。瞬态法热流传感器的工作原理是通过热电效应，产生与热流值存在一定关系的电压。Gardon型热流传感器就是一种瞬时法测量。
在研究Gardon型热流传感器时发现，热流传感器的输出与其热沉体的温度有关，当热沉体温度上升到250°C，传感器的输出与热流密度成非线性。研究热沉体的温度与传感器的输出关系，有助于拓宽传感器的测试时间。该系统设计的主要目的是在采集传感器信号的同时。采集热沉体温度信号。

2 系统组成及设计
该采集系统的信号有两组：一组是热流密度值对应的电压值，即测量信号；一组是由监测温度的热电偶输出电压值，即监测信号。而对于两组信号的采集与处理，采用不同方法：测试信号采用专用的放大器和滤波器；监测信号则采用热电偶的专用处理器件。这样采集系统功能齐全，体积小，使用方便。
采集系统要与上位机实现通信，且上位机要控制采集卡的工作状态(开始工作，停止工作，读数等)。所以采集系统与上位机的接口采用RS-232串口。系统组成框图如图1所示。

整个测试系统包含测试信号调理、温度信号处理、控制、存储、通信以及电源等模块。以下主要介绍测试信号调理及温度信号处理模块。
2．1 测量信号调理模块
Gardon型热流传感器，其输出的热电势与入射热流成正比。由于实际输出的热电势比较小，不一定满足单片机采样要求。因此，必须对信号进行放大和中心电平的调整。热流传感器模拟信号经放大、滤波等处理后，才能进入A／D转换器进行模数转换，其测试信号调理电路如图2所示。

热流传感器产生的模拟信号经过图2测试信号调理电路后，信号放大、滤波性能良好，畸变率小；而且使用MAX291滤波器，可以增加信号的可靠性和稳定性。避免分立元件的各种误差、漂移影响。图3是调理电路滤波前后效果对比图。