摘 要

为了准确测量由摩擦产生的温度，并正确评价温度因素对摩擦试样的影响，本文针对摩擦试验机运行时摩擦试样温度测量的特殊情况，设计了基于K型热电偶和24位高精度模数转换芯片ADS1248的多路温度测量系统。

基于摩擦表面试验温度测量对摩擦学特性研究的重要性，以及采用热电偶进行温度测量的国内外研究现状的分析基础上，确定采用热电偶测温的方式作为摩擦试验机中进行多路温度测量系统的传感器。根据热电偶测温原理及其相关测温方法，考虑到系统测量具备的功能，提出了基于热电偶的多路温度测量系统总体设计方案。通过温度测量、模数转换芯片控制、单片机控制、冷端补偿、串口通讯等主要模块的设计，完成了多路温度测量系统的硬件与软件设计，通过虚拟仪器设计软件完成了上位机数据显示、数据保存等功能，最后对系统的误差进行分析并总结。

设计完成的系统具有测量原理简单可靠、使用方便、价格成本低、以及良好的人机交互友好等优点。

关键词：热电偶；ADS1248；单片机；虚拟仪器；多路温度测量

Abstract

In order to accurately measure the temperature produced by friction and evaluate the influence of temperature factors on the friction sample, the special situation of the friction sample temperature measurement during the operation of the friction testing machine is studied, a multi-channel temperature measurement system based on k-type thermocouple and 24-bit high precision analog-to-digital converter ADS1248 is designed.

Based on the analysis of the importance of the temperature measurement of the friction surface test to the study of the tribological characteristics and the research status of the temperature measurement using thermocouples at home and abroad, the method of thermocouple temperature measurement is chosen as the sensor of multi-channel temperature measurement system in friction testing machine. According to the principle of thermocouple temperature measurement and its related temperature measurement method, and considering the function of the system, the overall design scheme of multi-channel temperature measurement system based on thermocouple is proposed. The hardware and software design of the multi-channel temperature measurement system is completed through the design of the main modules such as temperature measurement, analog-to-digital conversion chip control, single-chip control, cold-end compensation, serial communication, etc. , through the virtual instrument design software, the functions of data display and data storage are completed. Finally, the error of the system is analyzed and summarized.

The designed system has the advantages of simple and reliable measuring principle, convenient operation, low cost and friendly man-machine interaction.

Key Words：Thermocouple; ADS1248；MCU；Virtual Instrument；Multi-channel temperature measurement

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.2.1热电偶测温的国内外发展现状 1

1.3 设计内容与方案 2

1.3.1 设计的基本内容分析 2

1.3.2 设计的基本目标 2

1.3.3总体设计方案 3

第2章 多路温度测量系统硬件设计 4

2.1 热电偶的选型与温度补偿 4

2.1.1 热电偶测温原理 4

2.1.2热电偶的选型 5

2.1.3热电偶的冷端补偿 6

2.2 模数转换模块设计 6

2.2.1 模数转换芯片的选取 6

2.2.2 ADS1248芯片的设置 7

2.3 单片机的选取与设计 8

第3章 多路温度测量系统软件设计 11

3.1 下位机程序设计 11

3.1.1 系统控制程序的总体结构设计 11

3.1.2 ADS1248程序设计 11

3.1.3 串口子程序设计 14

3.1.4 冷端补偿子程序设计 15

3.2 数控多路温度测量系统监测界面的设计 17

3.2.1 上位机设计软件 17

3.2.2 串口通信模块设计 17

3.2.3 数据显示模块设计 18

3.2.4 数据保存模块设计 19

3.2.5 数控多路温度测量系统监测界面设计 20

第4章 多路温度系统调试结果与误差分析 22

4.1 销-盘式摩擦试验温度测量介绍 22

4.2 系统实验调试结果 23

4.3 误差分析 25

第5章 总结 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

摩擦学是研究相对运动相互作用表面/界面间的现象和存在的客观规律的一门学科^[1]。自摩擦学创立以来，其发展迅速，在机械制造、交通运输、航空航天以及能源工业等方面都存在摩擦学的身影，同时对摩擦学的研究也已经给工业发展带来了巨大的经济效益。目前，摩擦磨损试验机的研究已经取得了许多成果，但在实际情况中，影响摩擦磨损的因素很多，其中摩擦磨损产生的温度也是影响因素之一，为了研究摩擦产生的高温对摩擦机理及摩擦试样的影响，测量摩擦产生的温度显得十分重要。

精确测量摩擦表面的温度的场较为困难，常用的测量方法有热电偶法、电阻传感器、红外线辐射法、示温涂料法等方法^[2]。由于摩擦试样温度测量的特殊性以及在摩擦接触面微区处微峰的变化和变形，都直接影响着摩擦表面温度测量的准确性，目前已有研究人员采用了多种测温技术对摩擦温度进行测量，并且取得了一定的进展。

1.2 研究背景

高温摩擦现象普遍存在于现代工业制造中，温度是工业生产中主要的工艺参数之一，因此高温测量是一个经常性的课题。对于摩擦磨损实验来说，摩擦温度的测量显得尤其重要，为了深入研究磨损的发生与发展机理，寻找不同磨损方式的相互转化、材料性能因摩擦而转化的复杂关系，需要对试验其表面的整个摩擦磨损过程进行微观研究。因此，研究摩擦产生的温度变化特性对摩擦学的行为机理研究具有重要意义。

摩擦表面的温度测试方法有接触式和非接触式两类^[3]。热电偶属于接触式温度传感器的一种，接触式温度传感器又分为分立式、模拟集成式和智能式三种。因此，热电偶是接触式温度传感器分类下的分立式传感器。