红外温度传感器用于多士炉
发布时间：2011-03-18
来源：中国自动化网
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应用案例
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红外温度传感器
导读：
目前的多数多士炉是采用机械开关来调节温度和时间定时，需要使用者参与的程度较高，如选择加热的时间和确定加热的功率等。这时，操作人员就面临几个问题： 1、确定是干面包或是冻面包？ 2、确定加热的时间，...
目前的多数多士炉是采用机械开关来调节温度和时间定时，需要使用者参与的程度较高，如选择加热的时间和确定加热的功率等。这时，操作人员就面临几个问题：
1、确定是干面包或是冻面包？
2、确定加热的时间，有时需要根据经验，但经常不能自己烤出色、香味全的面包？不知道如何能自己做到最好。
3、加热功率的确定，在什么样的情况下需要提供多大的功率？机械式产品不能告诉用户这些信息。
问题的解决方案
既然机械式多士炉在一定程度上不能为用户提供更多的帮助，我们从电子化的角度去考虑是比较合适的途径，如确定面包在放入多士炉前的状态、加热功率的控制和加热时间的确定以及电源的自动切断和接通等。当然对于面包的状态，我们可以通过眼睛和手的感觉来识别，除卫生的问题以外，我们还应该了解到，面包的状态如何让多士炉来实现自动识别？面包在烘烤的过程中，如何监控面包在烘烤时的状态如温度，来确定面包烘烤到何种程度才是最佳状态？我们可以考虑用温度传感器来测量面包的温度？面包的温度测量数据提供出来以后，我们应及时来调节温度的上升程度以及电源功率的调节，这可以直接通过单片机系统来完成。通常地，从成本的角度来考虑，我们可以选择NTC等电阻温度传感器，但实际上，接触式的测量不能解决好卫生问题、测量精度问题和反应时间问题，特别是反应时间的要求更为严格，通常，NTC产品的反应时间需要7秒左右才能将当前的温度准确测量出来，此时，面包可能已经烤焦。
因此选择非接触的温度测量方法是最合适的。红外温度传感器完全可以满足这个应用要求，它能解决几个方面的问题：
1、卫生问题————传感器不与面包直接接触，测量距离可以达到几十厘米或几米不等
2、响应时间问题————与NTC相对应，红外温度传感器的测量时间一般可以达到40mS或更高，是 NTC产品的几十倍，为温度控制系统提供足够的调节控制时间
3、测量精度问题————红外温度传感器可以达到很高的测量，取决于设计人员的设计工艺和工作
环境的处理
4、温度控制问题————红外温度传感器与单片机系统的结合，可以非常简单地处理好加热功率的
控制调节和加热时间，这些都可以通过软件来实现。
5、便利性的问题————应用单片机以后，用户不需要守侯在多士炉旁边，所有的工作由单片机的
程序自动完成，如面包烤好后，发出声光报警等信息，通知用户。设计工程师只需要预先将冻面包和干面包的烘烤程序输入到单片机就可以，用户只是按一个启动键，真正实现智能化，因此我们将这样的多士炉称为智能化多士炉。
传统的多士炉的温度控制方法
传统的多士炉不需要进行温度测量，它只是根据用户的经验来设定加热时间和加热功率，对电源的控制和调节也是通过非常简单的电源通断，不能对面包的烘烤温度做精确的控制。
智能化多士炉的温度控制和调节
对于高档次的多士炉，实现自动温度控制和调节是其最主要的核心功能，传感器与单片机的组合使用，将大大提升产品的科技含量和操作的简便性。
采用TS系列红外温度传感器，可以随时快速地测量面包的温度，由于是采用非接触的测量方法，也就是传感器与面包之间有一定的测量距离，传感器在接受面包辐射出来的红外线后，输出一热电势。由于红外温度传感器是有多达100个热电偶组成，所以要对它的冷端进行温度补偿，因此将该信号进行放大和环境温度补偿后，送到A/D转换器和单片机系统，一方面，将显示面包的温度（包括软件设定的加热时间），另一方面，单片机输出信号送到功率调节电路去控制加热时间和功率。
对于最简单而且智能化的多士炉，可以不需要显示，只需要设定一个启动按键，操作人员在将面包放入多士炉后，按动启动按键，多士炉自动完成所有的工作，这需要设计人员确定干面包或者冻面包的不同的烘烤程序，并将这个程序送入到单片机系统。
智能化多士炉的结构考虑
传感器如何放入到多士炉中是完成自动控制的首要任务，在多士炉中，有加热器、栅格等，同时也不能将传感器放在多士炉的上方，因此，我们需要在多士炉的侧面开一个小孔加热器的部分也应相应开一个小孔，以便面包的红外线能够传输到侧边的TS传感器
，并需要加装波导管来引导红外到TS。由于面包的纹理各不相同，如果将波导管与面包成90°角安装，当遇到纹理较粗的面包时，可能传感器不能获得更多面包的红外线而减低灵敏度，因此，我们将波导管的安装角度斜向45°后（图八），无论是何种纹理的面包，都可以获得同样的灵敏度。
红外温度传感器应用塞贝克热电效应，它类似于传统的热电偶，也有冷端和热端，如上图所示。红外温度传感器将110个电偶串联起来，在热端加装红外吸收器，这样在热电偶两端形成温差电势。传感器的输出为
Utp =ex Sr x （Tobj4 – Tamb4）
e —— 被测目标的辐射率
Sr —— 传感器灵敏度
Tobj —— 目标温度
Tamb ——内部环境温度
红外温度传感器通常包括一个硅材料的光学滤波器和温度补偿用的热敏电阻（PTC/NTC）。共有13种规格的传感器供选择，封装形式有TO-5和TO-18两种形式。
环境温度补偿用热敏电阻————由于环境温度的变化，传感器内部冷端温度也将发生改变，因此为获得较好测量精度，需要对冷端温度进行补偿。NTC为负温度系数的热敏电阻，PTC为正温度系数的热敏电阻。Ni电阻温度传感器的温度系数较NTC要大的多，可达6178ppm/K，而NTC一般为3964ppm /K。对热敏电阻阻值的选择，通常地，为降低功耗，选择100K欧姆的热敏电阻，其他阻值也可根据用户的需要而调整。
光学滤波器————对于一个具体的应用，选择合适的滤波器将是一件非常重要的工作。辉格公司可根据客户需要提供不同的滤波器波长范围，标准产品的滤波器波长范围有5微米截止型和8～14微米两种。对于非常近距离（<0.5米）的非接触温度测量如红外线体温计应用，应选择5微米截止型的红外温度传感器如TS118-1或TS105-1等，而远距离测量时，应选择8～14微米波长范围的传感器如TS118-3或TS105-3等。
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