一种微结构快速温度传感器及小型化采集电路的制作方法

本实用新型属于温度检测技术领域，具体涉及一种微结构快速温度传感器及小型化采集电路，其适用于海洋湍流观测。

背景技术：

海洋湍流混合是物理海洋学中至关重要的研究热点，已经成为制约海洋研究中很多领域的进一步深入及发展的关键因素；在目前的研究中，要对海洋湍流混合进行更深入的研究，则依赖于在海洋观测中引入高分辨率、大容量的智能化的快速测量仪器。在这些快速测量仪器中，海洋温度测量仪器是非常关键的且得到广泛应用的仪器。更关键的是，快速温度传感器在海洋运动、海洋动力以及海洋环流研究方面具有重要应用价值。在其中，快速温度传感器是海洋湍流研究的核心部件之一，也是提高海洋湍流监测技术水平的重要因素之一。

在快速温度传感器的研究方面，1972年Osborn and Cox提出了计算湍流热通量的计算公式(1.1)，其中要求计算海水温度的耗散率：

这里DT是温度扩散率，ΨTZ(k)是温度梯度谱。其中，温度探头的采样频率越高，温度梯度谱ψTz(k)越精确，所获得的温度耗散率χT越准确，为此人们进行了一系列的努力，最具代表性的研究有:1980年Gregg和Meagher用 Thermistor作为温度探头测量了温度梯度，并获得了温度耗散率；美国Woods Hole海洋研究所1988年研发的HRP湍流剖面仪，将高精度的温度传感器安装在湍流剖面仪上；1999年美国Oregon州立大学Nash等人用热电偶作为快速温度传感器，时间常数为0.8ms，采样频率达到200Hz，空间分辨率达到0.8mm，然而这种温度传感器的封装技术要求很高，信号噪音也比较大，实际测量仪器不容易使用，至今没有相关产品推向市场；后来日本Tokyo University of Fishers 的H.Yamazaki教授与加拿大University of Victoria教授R.Lueck合作开发出了湍流细微构造剖面观测仪，由日本亚力克(ALEC)公司生产，湍流细微构造剖面观测仪上使用的是由美国Thermometrics公司生产的FP07Thermistor快速温度传感器，此传感器的测温范围是—5～+45度，分辨率0.001度，是目前同类产品中较好的一种，我国多家海洋研究机构和大学购买了他们的产品。近年来，加拿大Rockland公司生产的VMP系列，德国ISW washer公司和sea&sun公司开发了MSS系列它们生产的湍流细微构剖面观测仪上均有快速温度传感器。但此类快速温度传感器技术对我国进行封锁；即使在一些资料上示意性公开，也是原理性或框架性公开，依据公开的信息很难得到具体开发和生产；即使牺牲几个数量级的分辨率，生产能够在实际可以应用的产品也存在很多技术难题。

为了突破外国技术的限制，我国在温度传感器的研制方面，十五计划中863 项目曾支持过812项目的02专题，此项目的温度传感器时间常数为70ms,其有效采样频率应小于14Hz。另外，国内用热敏电阻研制的耐高压温度传感器时间常数为20-50ms，其有效采样频率应为20-50Hz。我们研究团队在“十一五”国家“863”探索项目“海洋探测快速温度传感器”(2007AA09Z104)的支持下，研制出了目前国际上响应最快的温度传感器，响应时间为7ms，最高17位AD转化精度，最高采样频率可达143Hz。此项研究填补了我国微结构温度剖面仪的空白。由于此快速温度传感器专用于微结构剖面观测，适用水深500米，体积大，但不适用于在移动潜器上使用。为了在实际作业海洋中得到更广泛的应用，在原有研究的基础上，进一步优化设计，缩小体积，使其可用在深海4500米，并通过接口形式与其它仪器和运载器匹配是十分必要的，也是急需的。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明人在原有研究基础上，经过多次设计和研究，提出了一种微结构快速温度传感器及小型化采集电路，其不仅适用于在移动潜器上使用，还针对海洋环境的特殊性以及海洋温度测量的精度要求，可应用于深海动态移动平台或固定监测系统中，并设计兼容性连接端口，可与其它传感器同时使用。

依据本实用新型技术方案的第一方面，提供一种微结构快速温度传感器，其包括6000米耐压电缆1、信号连接线母头耐压外壳2、4针信号连接线公头3、密封O型圈4、螺母锁紧件5、快速温度采集电路板耐压外壳6、快速温度探头延伸杆7和裸封FP07热敏电阻8，其中信号连接线母头耐压外壳2与4针信号连接线公头3之间采用锁紧机构。

其中，4针信号连接线公头3用于把快速温度采集电路板的信号传送到电缆线以及通过电缆线把电源供给快速温度采集电路板。密封O型圈4，用于使分离的信号连接线母头耐压外壳2与4针信号连接线公头3安装在一起。螺母锁紧件 5用于分离的两部分6000米耐压电缆1和信号连接线母头耐压外壳2与4针信号连接线公头3至裸封FP07热敏电阻8锁紧。

进一步地，快速温度采集电路板耐压外壳6，用于放快速温度采集电路板。

优选地，快速温度探头延伸杆7，用于连接快速温度采集电路板和裸封FP07 热敏电阻。

更优选地，FP07热敏电阻裸封感温器件前端没有任何遮挡，不影响其热响应时间。

依据本实用新型技术方案的第二方面，提供一种适用于上述微结构快速温度传感器中的小型化采集电路，其中电桥激励电路采集信号，经补偿电路后，信号进行AD转换，经数字控制电路把采集到的电信号转为温度信号，再经过通信电路把信号传给系统主控器进行处理。

相比较于现有温度传感器，本实用新型的一种微结构快速温度传感器及小型化采集电路其结构易于实现，制造难度低，使用寿命长，指标稳定，适用于在移动潜器上使用，还针对海洋环境的特殊性以及海洋温度测量的精度要求，可应用于深海动态移动平台或固定监测系统中，并设计兼容性连接端口，可与其它传感器同时使用。其具有体积小、高频采样性能好的技术优势。

附图说明

图1为本实用新型的微结构快速温度传感器的外形示意图；

图2为本实用新型的快速温度传感器超小型电路实测图；

图3为使用本实用新型快速温度传感器的实测脉动温度时间序列分布图；

图4为使用本实用新型快速温度传感器的实测脉动温度值概率分布图；

图5为本实用新型快速温度传感器的电子系统电路框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外，不应当将本实用新型的保护范围仅仅限制于下述具体结构或部件或具体参数。

本实用新型为一种微结构快速温度传感器及小型化采集电路，其快速温度传感器使用FP07快速响应热敏电阻作为基本传感器件，使用电桥将电阻值的变化转化为电压的变化值，使用可编程增益放大器(PGA)对电压信号进行放大后，用24位∑-Δ型A/D转化器件将模拟信号转化为数字信号。热敏电阻的阻值和温度的关系是非线性的，电桥变换中也存在非线性，因此需要进行线性变换将采集到的电压转换为温度值。线性变换通过微处理器进行，微处理器还集成了数字通信接口，选择半双工RS-485或TTL-232标准通信协议进行工作模式控制和数据传输。快速温度传感器实现响应时间为7ms，-3dB响应频率143Hz，可过采样到 512Hz。温度测量精度0.002℃，分辨率0.0005℃(64Hz)。采用5V供电，最大功耗0.04W，待机功耗0.001W。

电路板使用4-6层板，采用器件双面高密度排布的方式，以进一步缩小原有 PCB尺寸。在布线设计上，外层包括Toplayer和Bottomlayer设置为接地层，信号线只走可以直接连接的，中间2-4层均为信号/电源层，中间层上的电源用宽线走线，尽量多使用电源覆铜，这可使电源电流的路径阻抗低，从EMI(电磁干扰)控制的角度看，是最佳的PCB结构。

具体地，本实用新型的微结构快速温度传感器包括以下部分：6000米耐压电缆、信号连接线母头耐压外壳、4针信号连接线公头、密封O型圈、螺母锁紧件、快速温度采集电路板耐压外壳、快速温度探头延伸杆和裸封FP07热敏电阻。其中4针信号连接线公头的使用便于更换各个元器件。本实用新型所述的微结构快速温度传感器体积小，可方便更换各元器件，响应时间短，采样频率快，分辨率高，并可应用于深海动态移动平台或固定监测系统中，并设计兼容性连接端口，可与其它传感器同时使用。进一步地，在所述微结构快速温度传感器中采用的小型化采集电路中，使用电桥激励电路采集信号，经补偿电路后，信号进行 AD转换，经数字控制电路把采集到的电信号转为温度信号，再经过通信电路把信号传给系统主控器进行处理。

本实用新型在4000米深海进行观测，快速温度传感器主要关键技术如下：

①采用耐压50MPa以上的封装结构，设计耐压50MPa以上的封装结构，以适应4000米水深的压力；

②使FP07的测温元件处于裸封状态，这样的封装结构不影响FP07热敏电阻的响应时间，进而提高了响应速度；

③经过多次试验，设计采集电路的分辨率响应在10℃测温范围内分辨率至少要达到0.0005℃；这样在深海中可以得到广泛的应用，并且进一步适应深海的温度脉动小于浅海的情形。

如图1所示的微结构快速温度传感器，其中图1附图标记分别为：6000米耐压电缆1，信号连接线母头耐压外壳2；4针信号连接线公头3，用于把快速温度采集电路板的信号传送到电缆线以及通过电缆线把电源供给快速温度采集电路板；密封O型圈4，用于使分离的6000米耐压电缆1和信号连接线母头耐压外壳2与4针信号连接线公头3至裸封FP07热敏电阻8安装在一起密封效果好；螺母锁紧件5，用于分离的两部分6000米耐压电缆1和信号连接线母头耐压外壳2与4针信号连接线公头3至裸封FP07热敏电阻8锁紧；快速温度采集电路板耐压外壳6，用于放快速温度采集电路板；快速温度探头延伸杆7，用于连接快速温度采集电路板和裸封FP07热敏电阻；裸封FP07热敏电阻8。图1中，FP07 热敏电阻裸封感温器件前端没有任何遮挡，不影响其热响应时间。快速温度采集板经过小型化处理后只有6mm*45mm面积，被封装于图1中的附图标记6所示位置，FP07前段到采集板的传输线长度仅有12cm，达到了“传输线长度不超过20cm”的要求。图1中的4针信号连接线公头3、密封O型圈4、螺母锁紧件5、快速温度采集电路板耐压外壳6、快速温度探头延伸杆7、裸封FP07热敏电阻8构成独立完整的封装，在FP07损坏后，只需要更换此元件即可，FP07的定标系数存储在采集板上，更换后不用重新配置，实现了通用的低成本更换。

快速温度采集板的宽度为6mm，其耐压外壳的内径设计为6.3mm，使用TC4 棒材加工，计算时使用该材质屈服强度的标准值825MPa，按照50MPa耐压，安全系数为2的指标，根据设计依据中关于耐压外壳的相关公式，计算其最小外径需要7.5mm，在设计中外径取为9mm，完全能达到耐压要求。

快速温度探头的电子系统见图5，使用FP07热敏电阻作为感温元件，其在水中的热响应时间为7ms，FP07与低温漂、高稳定性的标准电阻构成非平衡测温电桥，电桥中使用慢速热敏电阻(RT1)，具有极低的漂移速率和长期稳定性；FP07 探头电阻(RT2)响应快但漂移速率也较大。与RT2联合使用可以由慢速温度校准快速温度漂移。如图所示，电桥外围采用场效应管构成交流激励开关。

在实际制作电路过程中，PCB(印刷电路板)的导线材质一般为化学铜，而焊接电子元器件一般使用锡，电子器件引脚的材质也多种多样，不同金属进行连接会产生热电偶效应，热电偶电动势会随温度变化而变化。在精密测温中为了消除热电偶电动势的影响，本申请采用交流激励电桥，电桥的交流激励解决了直流激励应用遇到的热电偶、失调和漂移效应问题，消除了直流误差。

通过FP07作为电桥的一个臂，当温度变化时，反应为热敏电阻变化。电桥失衡时，电桥中有激励电流通过，由于FP07是非线性的，本实用新型通过一个补偿电路使输出的信号转换为电阻信号时呈线性关系，然后把信号通过AD转换器从模拟信号转换为数字信号。测温前端的AD转换器我们使用具有交流激励功能的AD7195芯片。AD7195是美国亚德诺半导体公司的优秀模数转换器，集成一个低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)。片内低噪声增益级意味着可直接输入小信号。AD7195内置交流激励，用于消除桥式传感器中的直流感应偏置，适合高精度测量应用。

快速温度测量电路的电源电路和数字信号处理电路，使用低功耗的 PIC16F690单片机作为信号处理器，经过AD转换的电桥电压由单片机处理为温度信号，以24位二进制数据流的形式，通过RS-485通信接口传送给系统主控制器，由主控制器做进一步处理和保存。RS-485是半双工双向通信接口，主控制器向PIC16F690单片机发送同步触发指令，实现温度信号的受控采集。

快速温度探头测温电路板实物图如图2，电路板尺寸6mm*45mm的超小体积和高密度排布。

在实际应用中，本申请设计的快速温度探头外壳具有耐压50MPa，封装结构中FP07温度探头处于裸封状态，7ms的热响应时间不受影响；优化设计的快速温度采集电路能够分辨0.0002℃的温度脉动；采集电路为6*45mm的超小体积，直接封装于钛合金耐压外壳中，距离FP07的传输线长度小于14cm，满足低噪测量要求；可拔插的快速温度探头结构，便于更换，实现低成本应用。

根据2014年9月在4033米海深观测的海试温度脉动数据，取9个小时共计 1036800个数据点，进行高通(1s)滤波，画出测量的脉动温度时间序列分布如图3所示。

对高频(大于1Hz)信号画概率分布，按最大值进行归一化，测温的概率分布如图4所示，其中σ＝1.39×10-4(K)是高频信号的均方根，分布在[-σ,σ] 区间内的温度信号占到73％比例，因此测出快速温度探头测温能够分辨0.139mK。

如图5所示的本实用新型快速温度传感器的电子系统电路框图。热敏电阻 FP07作为电桥的一个臂，电桥失衡时，电桥中有激励电流通过，由于FP07是非线性的，本实用新型通过一个补偿电路使输出的信号转换为电阻信号时呈线性关系，然后把信号通过AD转换器从模拟信号转换为数字信号。数字信号控制电路，把AD转换的电桥电压由单片机处理为温度信号，以24位二进制数据流的形式，通过通信接口传送给系统主控制器，由主控制器做进一步处理和保存。主控制器通过半双工双向通信接口发送同步触发指令，实现温度信号的受控采集。

本实用新型结构合理、新颖，在保证良好检测指标的同时，兼顾安全、节能、美观的特点。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。