传感器课程设计----基于pt100温度测量系统.doc

1 目录目录 第一章 方案设计与论证2 第一节 传感器的选择 2 第二节 方案论证 3 第三节 系统的工作原理 3 第四节 系统框图 4 第二章 硬件设计4 第一节 pt100 传感器特性和测温原理.5 第二节 信号调理电路 6 第三节 恒流源电路的设计 6 第四节 tl431 简介 8 第三章 软件设计.9 第一节 软件的流程图 9 第二节 部分设计模块.10 总结11 参考文献.11 2 第一章 方案设计与论证 第一节 传感器的选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让 温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定 的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接 触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一 般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热 电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变 化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热 电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高 温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的 热电阻如 pt100、pt1000 等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传 感器，如 dallas 公司 ds18b20，maxim 公司的 max6576、max6577，adi 公司的 ad7416 等，这些芯片的显著优点是与单 片机的接口简单，如 ds18b20 该温度传感器为单总线技术，maxim 公司的 2 种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而 adi 公司的 ad7416 的数字接口则为近年也比较流行的 i2c 总线，这些本身都 带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺 点是测温的范围太窄，一般只有-55+125，而且温度的测量精度都不高，好 的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构 简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优 点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同 材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度 误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。 3 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高 低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽， 精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标 的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感 器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温 度等多种其它因素的影响。 由于本设计的任务是要求测量的范围为 0100，测量的分辨率为 0.1，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的 pt100 作为本 课题的温度传感器，具体的型号为 wzp 型铂电阻，该传感器的测温范围从 200650。具体在 0100的分度特性表见附录 a 所示。 第二节 方案论证 温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感 器以及新兴的智能型传感器。 方案一：采用模拟分立元件 如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简 单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误 差大。 方案二：采用温度传感器 通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到 a/d 转换芯片， 将模拟量转化为数字量，通过 labview 显示。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能 稳定，使用方便，测量范围为-200650，完全满足要求，考虑到铂电阻的 测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻 pt100 作为传感器。该方 案采用热电阻 pt100 做为温度传感器、ad620 作为信号放大器，tlc2543 作为 a/d 转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案 一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完 成本次设计。 4 第三节 系统的工作原理 测温的模拟电路是把当前 pt100 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量 的电压值，经过放大器放大信号后送给虚拟仪器实验室的 pci-6251 数据采集卡,再通 过虚拟仪器把当前的电压值转变成温度 第四节 系统框图 本设计系统主要包括温度信号采集单元，数据处理单元，时间、温度显示 单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电 路（采样） 、放大电路。 系统的总结构框图所示。 热敏电阻信号调理电路模拟输入 ni-elvis 接口平台 pci-6251数据采集卡 ai 0 模拟输入 pc电脑 第二章 硬件设计 第一节 pt100 传感器特性和测温原理 电阻式温度传感器(rtd, resistance temperature detector)是指一种物质材料 作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。 pt100 温度传感器是一种以铂(pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系 数, 5 其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示： 在 0650范围内： rt =r0 (1+at+bt2) 在-2000范围内： rt =r0 (1+at+bt2+c(t-100)t3) 式中 a、b、c 为常数， a=3.9684710-3； b=-5.84710-7； c=-4.2210-12； 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻 和温度变化的关系式如下：r=ro(1+t) 其中 =0.00392, ro 为 100(在 0的电阻值),t 为华氏温度，因此铂做成的 电阻式温度传感器，又称为 pt100。 pt100 温度传感器的测量范围广：-200+650，偏差小，响应时间短， 还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用， 本设计即采用 pt100 作为温度传感器。 主要技术指标：1. 测温范围：-200650 摄氏度；2. 测温精度：0.1 摄氏 度； 3. 稳定性：0.1 摄氏度 pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常 是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字 信号，再由处理器换算出相应温度。采用 pt100 测量温度一般有两种方案： 方案一：设计一个恒流源通过 pt100 热电阻，通过检测 pt100 上电压的变 化来换算出温度。 方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用 pt100 热电阻，当 pt100 电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差 换算出温度。 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。 6 第二节 信号调理电路 调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中 a/d 转换 器能识别的信号，作为本系统，由于温度传感器是热电阻 pt100，因此调理电 路完成的是怎样将与温度有关的电阻信号变换成能被 a/d 转换器接受的电压信 号。 第三节 恒流源电路恒流源电路 从上述关于 pt100 传感器测温原理可知，由 pt100 构成信号的获取 电路常用的方法有 2 种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统 中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流 源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。上述两种电路 的结构形式见图 2-1 所示。 a 图单臂桥式 b 图恒流源式 图 2-1 两种信号获取的结构电路 硬件电路如图所示 7 图 2-2 硬件电路图 第第四四节节 tl431 主主要要参参数数简简介介 tl431 是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种 电源电路中。其封装形式与塑封三极管9013 等相同，如图 a 所示。同类产品还有图 b 所示的双直插外形的。 三端可调分流基准源 可编程输出电压 :2.5v36v 电压参考误差： 0.4% ，典型值25（tl431b） 低动态输出阻抗 :0.22(典型值) 等效全范围温度系数： 50 ppm/（典型值） 温度补偿操作全额定 工作温度范围 稳压值送从 2.5-36v 连续可调， 参考电压原误差 +-1.0%， 低动态输出电阻， 典型值为 0.22 欧姆， 8 输出电流 1.0-100 毫安。 全温度范围内温度特性平坦， 典型值为 50ppm， 低输出电压噪声。 封装：to-92,pdip-8,micro-8，soic-8,sot-23 最大输入电压为 37v 最大工作电流 150ma 内基准电压为 2.5v 输出电压范围为 2.536v 替换型号及应用领域 : ztl431ah6ta ztl431ase5ta ztl431bh6ta ztl431bzta ztl431bcstz ztl431be5ta utctl431l ztl431bffta 应用领域:： 电平值转换 内部结构 图 c tl431 的具体功能可以用图 c 的功能模块示意。由图可以看到， vi 是一个内部的 2.5v 的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当ref 端（同向 端）的电压非常接近 vi（2.5v）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而 且随着 ref 端电压的微小变化，通过三极管图1 的电流将从 1 到 100ma 变化。当然， 该图绝不是 tl431 的实际内部结构，但可用于分析理解电路。 9 第三章软件设计 软件设计部分在 labview 上完成，前面板如图所示，对温度进行实时采集 图 3-1 采集显示前面板 vi 子程序部分 10 图 3-2 vi 程序 结 论 本温度测量系统设计，是采用 pt100 温度传感器经过放大和 a/d 转换器送 到单片机进行控制温度显示和时间显示。另外本系统还可以通过外接电路扩展 实现温度报警功能，从而更好的实现温度现场的实时控制。 经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要求，由于受人为因素 和软硬件的限制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减 小误差。 通过本次温度测量系统的设计，我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深 入的学习。在整个设计的过程中，本设计的重点和难点是：怎样将 pt100 热电 阻的非电量信号转换为能识别的电量信号，其中的信号如何放大及放大倍数的 确定等等。 11 这次毕业设计从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再有 就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到 提升。在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求 保持