鉑電阻溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、傳感器及變送電路學(xué)年設(shè)計(jì)報(bào)告鉑電阻溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名： 班級：學(xué)號： 2013年12月27日不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印目錄第1章 總體方案與精度設(shè)計(jì)11.1 不同方案分析與比對11.2 傳感器設(shè)計(jì)1第2章 總體方案設(shè)計(jì)32.1 方案一32.2 方案二32.3 方案三32.4 方案分析對比32.5 小結(jié)3第3章 具體設(shè)計(jì)與特性分析43.1 傳感器設(shè)計(jì)43.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)43.3 傳感器總體分析43.4 使用條件和誤差補(bǔ)償43.5 仿真實(shí)驗(yàn)43.6 小結(jié)5總結(jié)6參考文獻(xiàn)7附錄8千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記

2、把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 總體方案與精度設(shè)計(jì)1.1 不同方案分析與比對方案一：Pt100電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實(shí)是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測試端產(chǎn)生一個(gè)電勢差，由此電勢差換算出溫度。 以78E51單片機(jī)為處理器，采用恒流源為信號獲取電路的測溫方案，恒流源通過Pt100熱電阻，溫度變化引起Pt100電阻值的變化，從引起電壓的變化，放大后經(jīng)AD采用后，送由單片機(jī)處理，換算出相應(yīng)

3、溫度。為了達(dá)到高精度、寬量程的測溫要求，選用的是AD轉(zhuǎn)換芯片是12位串行AD芯片MAX1270。 方案二：鉑電阻傳感器是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器。以鉑電阻作為測溫元件進(jìn)行溫度測量的關(guān)鍵是要能準(zhǔn)確地測量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Pt1000(Ro=1 000 )是以溫度系數(shù)TCR=0003 851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的鉑電阻。本溫度測量系統(tǒng)采用三線制恒流源驅(qū)動(dòng)法驅(qū)動(dòng)鉑電阻傳感器。三線制恒流源驅(qū)動(dòng)法是指用硬件電路消除鉑電阻傳感器的固定電阻(零度電阻)，直接測量傳感器的電阻變化量。圖l為三線制恒流源驅(qū)動(dòng)法高精度測量方案，參考電

4、阻與傳感器串聯(lián)連接，用恒流源驅(qū)動(dòng)，電路各元件將產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，傳感器因溫度變化部分電阻的電壓可以由后面的放大電路和AD轉(zhuǎn)換器直接測量，并采用2次電壓測量交換驅(qū)動(dòng)電流方向，在每個(gè)電流方向上各測量一次。其特點(diǎn)是直接測量傳感器的電阻變化量，AD轉(zhuǎn)換器利用效率高，電路輸出電壓同電阻變化量成線性關(guān)系。傳感器采用三線制接法能有效地消除導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)的影響。利用單片機(jī)系統(tǒng)控制兩次測量電壓可以避免接線勢壘電壓及放大器、AD轉(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，還可以校準(zhǔn)鉑電阻傳感器精度。恒流源與AD轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，這樣根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的計(jì)量比率變換原理，可以消除參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差，不過對恒流源要求較高

5、，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了進(jìn)一步克服噪聲和隨機(jī)誤差對測量精度和穩(wěn)定度的影響，最后在上位機(jī)中采用MLS數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)噪聲抵消，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。 一般pt1000的反應(yīng)靈敏度比pt100的高，測量溫度范圍是-200-800度，pt1000適合測量小量程溫度變化（原因是溫度變化一度阻值增大和減小3.8歐姆，后級電路容易檢測），pt100適合測量稍大量程的溫度變化（原因是溫度變化一度，阻值增大和減小0.38歐姆），有些場合二者皆適合。這次實(shí)驗(yàn)需要測得溫度是0-100度，屬于小量程的測溫，因此選擇Pt1000作為本課題的溫度傳感器。1.2 傳感器設(shè)計(jì)1.鉑的物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，它具有以下

6、特性：（1） 熔點(diǎn)高達(dá)1768，無論化學(xué)性質(zhì)，還是電學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。（2） 富有延展性，容易加工成極細(xì)的金屬絲。（3） 電阻-溫度特性呈良好的線形。溫度是表征物體冷熱程度的物理量,它可以通過物體隨溫度變化的某些特性（如電阻、電壓變化等特性）來間接測量，通過研究發(fā)現(xiàn)，金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100，電阻變化率為0.3851/。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200650）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成

7、各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)（涵蓋國家和世界基準(zhǔn)溫度）供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。鉑電阻的溫度系數(shù)TCR按IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=0.，Pt100（R0=100）、Pt1000（R0=1000）為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。TCR=(R100-R0)/(R0100)其中傳感器結(jié)構(gòu)圖 接線方式又可分為：兩線制、三線制和四線制，詳細(xì)如下。 兩線制：傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使實(shí)際測量值偏高，用于測量精度要求不高的場合，并且導(dǎo)線的長度不宜過長。三線制：要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接

8、到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響。采用三線制會大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。四線制：是熱電阻測溫理想的接線方式。四線制不在使用橋式電路而是采用恒流源的方式，四線分為恒流源動(dòng)力引線和驅(qū)動(dòng)引線兩部分。恒流源驅(qū)動(dòng)電路中 PT1和 PT4兩條引線屬于恒流源動(dòng)力引線，負(fù)責(zé)將鉑電阻傳感器連接到恒流源，儀用放大電路中 PT2和 PT3兩條引線輸入傳感引線，負(fù)責(zé)將鉑電阻傳感器的電壓連接到放大電路。由此

9、將驅(qū)動(dòng)恒流源與溫度檢測電路分開，保證即使 PT1和 PT4兩條引線電阻出現(xiàn)壓降也不會影響測量的準(zhǔn)確性。溫度/電阻特性-200t0Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t30t850Rt=R0（1+At+Bt2Rt在t時(shí)的電阻值R0在0時(shí)的電阻值TCR=0.時(shí)的系數(shù)值1.3 精度設(shè)計(jì)總精度等級為1級，最大示值誤差為1，因此考慮將電路部分分成兩部分按等精度分配原則，傳感器部分為第一部分，第一部分精度為0.7?？傠娐凡糠譃榈诙糠郑诙糠志葹?.7。通過精度計(jì)算精度為0.99約等于1，可以認(rèn)為符合精度要求。傳感器設(shè)計(jì)使用材料：鉑使用溫度范圍：0100電阻絲直徑：0.03mm電阻率：0.09

10、81引線：2m化學(xué)穩(wěn)定性：在氧化性介質(zhì)中性能穩(wěn)定，不宜在還原性介質(zhì)中使用，尤其在高溫情況下。特性：特性接近線性，性能穩(wěn)定，精度高。應(yīng)用：可作標(biāo)準(zhǔn)測溫裝置1.4 小結(jié)通過對這一階段的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，是我對傳感器總體認(rèn)知，主要在精度分析的方面有了更多的了解，尤其在精度分配，精度的計(jì)算，更夠綜合的運(yùn)用傳感器，測控電路，誤差等課程的知識對電路進(jìn)行分析第2章 電路設(shè)計(jì)與調(diào)試2.1 電路設(shè)計(jì)溫度測量模擬電路是把當(dāng)前 PT1000 熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值，即通過采用Pt1000作為溫度敏感元件，經(jīng)過三線制恒流源電路、運(yùn)算放大電路等環(huán)節(jié)，使當(dāng)溫度在0到100攝氏度變化時(shí)，輸出信號的幅值為05V

11、。（一）傳感器電路設(shè)計(jì)總體框圖（二）調(diào)制電路 脈沖平衡調(diào)制電路如圖所示，它由兩個(gè)電子開關(guān)，一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)脈沖信號Ua和Ub組成。電路中電阻均為5.1K，接方波處的電阻為2.2K，放大器處的反饋電阻為10.2K。電路中的電子開關(guān)用兩個(gè)晶體管構(gòu)成。兩個(gè)輸入脈沖信號Ua與 Ub的幅值和頻率相等，相位相反。由此可見，當(dāng)增益為GI1時(shí)，輸出信號為 Ui, 而當(dāng)?shù)诙N狀態(tài)時(shí)，輸出 信號為+Ui 。這樣，由于兩個(gè)晶體管受到兩個(gè)相位相反的脈沖控制，使輸入信號Ui的極性不斷地“變換”，所以在輸出端就得到與輸入信號相反的脈沖平衡調(diào)制波。調(diào)制電路產(chǎn)生的波形如圖所示：（三）方波電路該電路前一部分是積分電路，后一

12、部分為滯回比較器。作用：積分電路：利用RC回路的充放電來產(chǎn)生三角波。滯回電路：產(chǎn)生方波，方波的頻率為f=R3/4*R1*R2*C。計(jì)算可以得到：方波的頻率f=7500Hz，方波的占空比為50%。該電路中調(diào)節(jié)R1，R2，R3的阻值和C的容值，可以改變振蕩頻率；調(diào)節(jié)R1，R2的阻值可以改變方波的幅值。 矩形波的振蕩周期為：調(diào)整電阻和電容的數(shù)值可以矩形波的振蕩周期。本電路震蕩頻率為。方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波如下圖所示：（4） 解調(diào)電路上圖為雙極性振幅調(diào)制電路的電路圖，在這里研究該電路的解調(diào)。圖為、脈沖平衡式雙開關(guān)解調(diào)電路，由兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)電子開關(guān)組成。其中，A2為反向放大器，A1位反向加法器。晶

13、體管Q1和Q2是兩個(gè)電子開關(guān)，C為交流耦合電容，起隔直流作用。反向器A2使A點(diǎn)電壓與輸入信號反相，B點(diǎn)電壓與輸入信號相同。由于所有元件全是對稱匹配的，所以Ua與 Ub也是反相對稱的。解調(diào)電路波形圖：（五）測溫電路（六）直流電橋 Pt100可將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由于應(yīng)變量和電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，采用直流電橋電路把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是：高穩(wěn)定度的直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡簡單，導(dǎo)線的分布參數(shù)影響小。通過比較恒流源供電與電壓供電的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用恒流源供電，其優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)速度快、恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負(fù)載（阻

14、性、感性、容性）。 用LM334構(gòu)成的恒流源簡單易行，電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。（7） 放大電路放大環(huán)節(jié)采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。它由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中兩個(gè)為性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對稱差動(dòng)放大輸入級，有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移。另一個(gè)為差動(dòng)輸出級，進(jìn)一步抑制共模信號。計(jì)算推導(dǎo)2.2 電路仿真方波電路總仿真圖利用仿真軟件對發(fā)生方波的電路圖進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)仿真電路，對精度的分配，誤差的分析提供有效的途徑。通過仿真圖焊接實(shí)物，減少錯(cuò)誤測溫電路PCB圖PCB圖2.3 電路焊接與調(diào)試焊接實(shí)物圖（

15、1）方波電路（2） 測溫電路示波器波形圖： 方波波形： 解調(diào)波形：2.4 小結(jié)在本階段的工作中，方波電路，溫度測量電路的仿真電路設(shè)計(jì)、布局、排版，以及后期電路的調(diào)試過程中遇到了一些問題，如仿真電路連線的錯(cuò)誤，仿真電路元器件數(shù)據(jù)的確定，調(diào)試過程中電路的不準(zhǔn)確。在解決這些問題的時(shí)候，學(xué)到了很多平時(shí)課堂上沒有注意到的知識，查缺補(bǔ)漏，也加深的這些知識的記憶，動(dòng)手能力得到增強(qiáng)，而且再動(dòng)手的過程中，對于課上學(xué)到的東西有了更深的理解。第3章 系統(tǒng)標(biāo)定與測量3.1 系統(tǒng)標(biāo)定外界溫度為0時(shí)，電阻值為1000,電壓值為0.00123V；外界溫度為100時(shí)，電阻值為1385.055，電壓值為5V。3.2 實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)溫度()01020304050電阻()10001039.0251077.9351116.7291155.4081193.971電壓(V)0.001230.508681.