铂电阻温度测量调理电路设计(两种方案).doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）设计题目基于铂电阻的温度测量调理电路设计设计技术参数采用Pt1000作为温度敏感元件和电桥电路，当温度在-10到300摄氏度变化时，输出信号的幅值为0-2.5V。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：完成电路的multisim仿真；工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做multisim仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012年6月28日目 录摘要4第一章 引言5第二章 题目及原理分析52.1题目分析52.2原理分析6第三章 设计过程83.1方案一93.1.1恒流源模块设计93.1.2电桥测量电路93.1.3放大电路103.2方案二113.2.1恒流源模块设计113.2.2信号调理电路12第四章 整体设计13第五章 仿真结果14第六章 心得体会18参考文献资料18 摘要温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点,但它同时也存在非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时,除要克服测量电路自身的噪声干扰外,还要对铂热电阻的非线性进行矫正. 本文根据铂电阻( Pt1000) 国际分度表函数的非线性特点,提出了一种在 0300 范围内补偿其非线性的方法,设计了专用的非线性补偿电路,并对电路补偿原理及效果进行理论分析和计算机模拟仿真。关键字：温度传感器 Pt1000 温度调理电路第一章 引言运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件。温度传感器充分应用这些模拟器件的一类传感器。在工业测量与自动控制中,往往需要温度测量与控制,铂热电阻由于测量准确度高,稳定性好,特别在中温区(150、650),它具有耐高温,抗氧化等优点,因而铂热电阻测量仪表应用十分广泛,鉴于其发展速度之快，以及其应用之广并且还有很大潜力，为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量系统，如果稍微改装可以做热水 器温度调节系统、生产温度监控系统等等。本课题主要任务是完成铂电阻环境温度检测的电路设计，当温度在-10到300摄氏度变化时，输出信号的幅值为02.5V。此次设计共得到两种可用的方案，文中将分别进行介绍。第二章 题目及原理分析2.1 题目分析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。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。本次设计题目为基于铂电阻的温度测量调理电路设计，要求测量的范围为 -10300，采用线性度相对较好的 PT1000 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。金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性。温度测量模拟电路是把当前 PT1000 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，即通过采用Pt1000作为温度敏感元件，经过三线制恒流源电路、运算放大电路等环节，使当前温度在-10到300摄氏度变化时，输出信号的幅值为02.5V。2.2 原理分析铂电阻的温度电阻特性为：当-200t0时Rt=R01+At+Bt2 +C(t-100)t3 ; 当0t850时 Rt=R0（1+At+Bt2）。 Rt为在t时的电阻值，R0为在0时的电阻值。TCR=0.003851时的系数值为：A=3.908310-3-1B=-5.77510-7-2C=-4.18310-12-4温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点,但它同时也存在非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时,除要克服测量电路自身的噪声干扰外,还要对铂热电阻的非线性进行矫正。表2.1 铂电阻 Pt1000阻值对照表第三章 模块设计3.1 方案一此方案采用桥电路进行测量，恒流源作为驱动电路，最后通过三运放仪用放大器进行信号放大并输出。3.1.1 恒流源驱动电路图3.1 恒流源驱动电路此部分主要用于解决非线性的问题，以下为输出电流的计算公式：3.1.2 电桥测量电路本设计采用直流电桥作为信号测量电路，直流电桥电路结构简单，可以实现微小阻值变化的转换。电桥后边需要接运算放大器，由于运算放大器的输入阻抗很高，比电桥的内阻大很多，因此可以把电桥输出端看成开路，四臂直流电桥的示意图如图2-2a所示，其平衡条件为：此时电桥的输出电压为：当，由式得；当模拟Pt1000的滑动变阻器有输出时，如图2-2b所示，此时电桥不再平衡，两输出端有一定的电压差由式（2-4）所示，当温度变化时，发生变化，使得从输出电压发生变化，通过对输出信号的放大测量，即可得出电阻变化，再根据表2-1中的铂电阻 Pt1000温度阻值对照表即可得出所测量的温度。 a b图3.2 电桥测量电路3.1.3 放大电路经过理论分析和实验验证，选用100K的电阻组成全桥电路，当采用正负15V电源供电时，输出的电压约为毫伏级别,是非常微弱的电压信号。要想使AD能够不失真的转换此信号，需要对该微弱信号进行进一步的处理。本电路选用三运放构成仪用放大器对信号进行放大，通过调节R8的阻值来改变放大倍数。图3.3 放大电路桥电路输出的两路电压分别从U1和U2输入放大电路，则输出电压为：由上式可以看出输出电压值和阻值变化成线性关系，可以通过改变和I的值来调整输出电压的范围。3.2 方案二此方案采用恒流源作为驱动电路，差动式放大电路进行信号检测和放大最后输出。3.2.1 恒流源驱动电路本电路中温度传感器Pt1000由恒流源驱动电路负责驱动，将其感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。由于相比于温度对晶体管或场效应管参数的影响，温度对集成运算放大器参数的影响较小，并且由集成运算放大器构成的恒流源具有稳定性更好、恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需要接地的场合，获得了广泛应用。 所以本设计采用了图2所示的双运放恒流源。其中放大器U1构成加法器，U2构成电压跟随器，U1、U2均选用低噪声、低失调、高开环增益双极性运算放大器OP07AZ 。a32b图3.4 恒流源驱动电路其中和分别为参考电阻(R5)上下两端的电位，和分别为U1两相输入端电位，为同相加法器U1的输出，为电压跟随器的输入。当取电阻=，时，可得出故恒流源的输出电流为：3.2.2 信号调理电路V1I图3.5 信号调理电路信号调理电路上图所示,其中I为电流输入，V1为U4正相输入端电压，Rt（R7）为铂电阻, 为差分放大器反向输入端电压值，为差分放大器的正向输入端信号。 电流I输入后，放大器U4对参考电阻R6的端电压进行单位放大后得到差分放大器反向输入端信号，其值为：从而得到 放大器U4对温度传感器Rt（Pt1000）的端电压放大2倍后得到差分放大器的正向输入端信号，其值为: 其中,从而得到最终我们可以得到由此可见，此种信号调理电路输出的电压差与铂电阻的阻值成正比，这样便很好地解决了非线性的问题。第四章 整体设计4.1 方案一参数计算令为2k，则可以计算得到恒流源的输出电流值为：=1/2K=0.5mA由上式可以得出当为2.5V时，=2.639k以下为温度调理电路整体示意图：图 4.1 方案一铂电阻温度调理电路4.2 方案二参数计算图4.1 基于铂电阻的温度调理电路参数设计计算：当温度在-10到300摄氏度变化时将会引起R7的变化，从而得到V，通过调节和达到调节电流I的目的，配以的调节，使V在0-2.5V之间变化。在恒流源驱动电路中，设，信号调理电路中，设。为此，当温度为-10时，V为0因此（t=-10），可得=961当温度为300时，V为2.5V此时I=V/（）=2.5/（2121-961）=2.155mA又由于I=（）/=/,设=5V，得=2.32K由以上分析可得本调理电路的个参数值为：=2.32K=961=5V第五章 仿真结果5.1 方案一仿真结果本调理电路中，R4代表的是铂电阻的阻值，其随温度升高逐渐增大，以下为仿真测量结果：表5.1 方案一Pt1000温度与输出电压对照表温度/电阻/输出电压温度/电阻/输出电压/V-10960.859-58.445uV1501573.2511.32V01000.00097.024 mV1601610.5441.4V101039.025180.624mV1701647.7211.48V201077.935261.974mV1801684.7831.562V301116.729347.08mV1901721.7291.64V401155.408429.061mV2001758.5601.721V501193.971512.389mV2101795.2751.8V601232.419594.983mV2201831.8751.877V701270.751675.399mV2301868.3591.956V801308.968756.796mV2401904.7282.034V901347.069840.333mV2501940.9812.112V1001385.055921.727mV2601977.1192.19V1101422.9251.001V2702013.1412.268V1201460.6801.082V2802049.0482.345V1301498.3191.164V2902084.8392.422V1401535.8431.245V3002120.5152.498V通过分析上表中的数据可知，输出电压值随温度的升高基本呈线性变化，当温度为-10时，输出电压为-58.445uV，接近0V，当温度为300时，输出电压为2.498V，接近于2.5V，基本满足课题要求。5.1 方案一仿真结果本调理电路中，R7代表的是铂电阻的阻值，其随温度升高逐渐增大，应当用滑动变阻器代表较为合适，但由于各个温度下的阻值不是整数，不能通过改变滑动变阻器的阻值全部测出，因而，此处用普通电阻表示，通过手动改变其阻值来实现各种不同温度下调理电路输出电压的测量。以下为仿真测量结果：表5.2 方案二Pt1000温度与输出电压对照表温度/电阻/输出电压温度/电阻/输出电压/V-10960.85928.517uV1501573.2511.32V01000.00084.08Mv1601610.5441.4V101039.025168.186mV1701647.7211.48V201077.935252.044mV1801684.7831.56V301116.729335.651mV1901721.7291.64V401155.408419.011mV2001758.5601.719V501193.971502.121mV2101795.2751.798V601232.419584.983mV2201831.8751.877V701270.751667.595mV2301868.3591.956V801308.968749.959mV2401904.7282.034V901347.069832.073mV2501940.9812.112V1001385.055913.939mV2601977.1192.19V1101422.925995.556mV2702013.1412.268V1201460.6801.077V2802049.0482.345V1301498.3191.158V2902084.8392.422V1401535.8431.239V3002120.5152.499V通过分析上表中的数据可知，输出电压值随温度的升高基本呈线性变化，当温度为-10时，输出电压为28.517uV，接近0V，当温度为300时，输出电压为2.499V，接近于2.5V，基本满足课题要求。通过比较以上两种方案可以看出，两种方案都可以实现课题要求的内容。心得体会本次课程设计为期一周，主要任务是完成铂电阻温度测量调理电路的设计，设计过程中，