传感器自动化课程设计论文

吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 1 页 共 19 页 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 传感器的定义 能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置， 通常由敏 感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检 测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息 的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要 环节。传感器是信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、科学研究和生等领 域，尤其是温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展 大致经历了以下 3 个阶段; (1) 传统的分立式温度传感器(含敏感元件);主要是能够进行非电量和电量之间转换。 (2) 模拟集成温度传感器/控制器; (3) 智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向 智能化、网络化的方向发展。 1.2 传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或 化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的 分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、 光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以 化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成 电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物 理原理为基础运作的。 化学传感器技术问题较多， 例如可靠性问题， 规模生产的可能性， 价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 1.2.1 传感器按照其用途分类 压力敏和力敏传感器位置传感器 液面传感器能耗传感器 速度传感器加速度传感器 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 2 页 共 19 页 射线辐射传感器 热敏传感器 24GHz 雷达传感器 1.2.2 传感器按照其原理分类 振动传感器湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等。 1.2.3 传感器按照其输出信号为标准分类 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直 接或间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时， 传感器相应地输出一 个设定的低电平或高电平信号。 1.2.4 传感器按照其材料为标准分类 在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那 些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元 件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： (1)按照其所用材料的类别分：金属聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性质分： 导体绝缘体 半导体磁性材料 (3)按材料的晶体结构分：单晶 多晶非晶材料 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向： (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得 到实际使用。 (2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。 (3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以 具体实施。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 3 页 共 19 页 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。 传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。 表 1.2 中给出了一 些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。 1.2.5 传感器按照其制造工艺分类 集成传感器薄膜传感器 厚膜传感器陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。 通常还将用于 初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使 用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是 Al2O3 制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器 这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变 型。 每种工艺技术都有自己的优点和不足。 由于研究、 开发和生产所需的资本投入较低， 以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。 1.3 传感器的特性 传感器的特兴奋伪静态特性与动态特性。 1.3.1 传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号， 传感器的输出量与输入量之间所具有相 互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静 态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量 作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏 度、迟滞、重复性、漂移等。 （1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。 定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之 比。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 4 页 共 19 页 （2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量 与引起该增量的相应输入量增量之比。用 S 表示灵敏度。 （3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变 化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器 的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 （4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时， 所得特性曲线不一致的程度。 （5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变 化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周 围环境（如温度、湿度等）。 1.3.2 传感器动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感 器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。 这是因为传感器对标准输入信 号的响应容易用实验方法求得， 并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响 应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃 信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 1.3.3 传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使 仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非 线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。如理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端点平移拟 合，以及最小二乘法拟合。 1.3.4 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y 对输入量变化x 的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵 敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化 1mm 时，输出电压变化为 200mV，则其灵敏度应表示为 200mV/mm。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 5 页 共 19 页 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往 往愈差。 1.3.5 传感器的分辨率 分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从 某一非零值缓慢地变化。 当输入变化值未超过某一数值时， 传感器的输出不会发生变化， 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输 出才会发生变化。 1.4 传感器的原理及发展 1.4.1 传统的分立式温度传感器热电偶传感器 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接 触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度;测量范围广，可从-50-1600进行连 续测量，特殊的热电偶如金铁-镍铬，最低可测到-269，钨-铼最高可达 2800。 热电偶传感器主要按照热电效应来工作。热电偶就是利用这一效应进行工作的。热 电偶的一端是将 A、B 两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为 t 的被测介质中。 另一端称为参比端或自由端，放于温度为 t0 的恒定温度下。当工作端的被测介质温度 发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。 1.4.2 集成(IC)温度传感器 (1) 模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的， 因此亦称硅传感器或单片集成温度 传感器。 模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它是将温度传感器集成在一 个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC。模拟集成温度传感器的主 要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体 积小、微功耗等，适合远距离测温、控测，不需要进行非线性校准，外围电路简单。 (2) 智能温度传感器 传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子技术、 计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。 有的产品还带多路选择器、 中央控制器(CPU)、 随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。 智能温度传感器的特点是能输出温度数据及 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 6 页 共 19 页 相关的温度控制量， 适配各种微控制器(MCU);并且它是在硬件的基础上通过软件来实现 测试功能的，其智能化和谐也取决于软件的开发水平。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 7 页 共 19 页 第 2 章 元件介绍 2.1 Pt100 的介绍 系为：当 PT100 温度为 0时它的阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值约为 138.5 欧姆。它的工业原理：当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值 会随着温度上升而成匀速增长的。 式中 Rt 为温度为 t 时的阻值；A、B 取决于半导体材料的结构的常数。 相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧 以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50300左右，大量用于家电 和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量， 其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。 工业上常用金属热电阻 从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作 测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电 阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的 化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线 性关系）。 表 1.Pt100 阻值随温度变化分度表 温度-50-40-30-20-100102030 阻值80.384.288.292.196.0100103.9107.7111.6 温度405060708090100110120 阻值115.5119.4123.2127.0130.9134.7138.5142.2146,0 温度130140150160170180190200 阻值153.5157.3161.0164.7168.6172.1175.8 2.1.1热电阻种类 1）普通型热电阻 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 8 页 共 19 页 从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测 量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。 2）铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成 的坚实体，它的外径一般为2-8mm，最小可达。与普通型热电阻相比，它有下 列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振， 抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。 3）端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一 般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦 和其他机件的端面温度。 4）隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火 花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热 电阻可用于级区内具有爆炸危险场所的温度测量。 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过 引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场， 与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。 2.2 LM324 的介绍 LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的 内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+” 、 “-” 为两个信号输入端， “V+” 、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。两个信号输入端中， Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+） 为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列 见图 2。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 9 页 共 19 页 图 1LM324 的引脚 图 2LM324 的引脚排列 TL431 精密可调基准电源有如下特点：稳压值从 2.536V 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 欧姆输出电流 1.0100 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。 2.2.1LM324 应用原理 由于 LM124/LM224/LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源 使用， 价格低廉等优点， 因此被广泛应用在各种电路中。 下面介绍其应用实例。 Mnp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电 子元器件符号 反相交流放大器 电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前 置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由 R1、R2 组成 1/2V+偏置，C1 是 消振电容。Rf 如改为可变电阻,可任意调整电压放大的倍数。 放大器电压放大倍数 Av 仅由外接电阻 Ri、Rf 决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与 输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为 Ri。一般情况下先 取 Ri 与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定 Rf。Co 和 Ci 为耦合电容。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 10 页 共 19 页 交流信号三分配放大器 此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作 指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放 Ai 输入电阻高，运放 A1-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时 Rf=0 的 情况，故各放大器电压放大倍数均为 1， 感温探头采用一只硅三极管，把它接成二极管形式。硅晶体管发射结电压的温度系数约 为-2.5mV/，即温度每上升 1 度，发射结电压变会下降 2.5mV。运放 A1 连接成同相直 流放大形式，温度越高，晶体管 BG1 压降越小，运放 A1 同相输入端的电压就越低，输 出端的电压也越低。这是一个线性放大过程。在 A1 输出端接上测量或处理电路，便可 对温度进行指示或进行其它自动控制。有源带通滤波器 许多音响装置的频谱分析器均 使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点 亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率，在中心频率 fo 处的电压增益 Ao=B3/2B1，品质因数 ，3dB 带宽 B=1/（*R3*C）也可根据设计确定的 Q、 fo、 Ao 值， 去求出带通滤波器的各元件参数值。 R1=Q/ （2foAoC） ， R2=Q/ （ （2Q2-Ao） *2foC） ，R3=2Q/（2foC） 。上式中，当 fo=1KHz 时，C 取 0.01Uf。此电路亦可用于 一般的选频放大。 2.2.2 比较器 比较器 当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理 论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如 LM324 运放开环放大倍数 为 100dB，既 10 万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+） ， 就是低电平（V-或接地） 。当正输入端电压高于负输入端电压时此电路可用在一些自动 控制系统中。电阻 R1、R2 组成分压电路，为运放 A1 负输入端提供偏置电压 U1，作为 比较电压基准。 静态时， 电容 C1 充电完毕， 运放 A1 正输入端电压 U2 等于电源电压 V+， 故 A1 输出高电平。当输入电压 Ui 变为低电平时，二极管 D1 导通，电容 C1 通过 D1 迅 速放电，使 U2 突然降至地电平，此时因为 U1U2，故运放 A1 输出低电平。当输入电压 变高时，二极管 D1 截止，电源电压 R3 给电容 C1 充电，当 C1 上充电电压大于 U1 时， 既 U2U1，A1 输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。 2.3 TL431 的介绍 TL431 精密可调基准电源有如下特点：稳压值从 2.536V 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 欧姆输出电流 1.0100 毫安;全温度范围内 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 11 页 共 19 页 温度特性平坦，典型值为 50ppm;低输出电压噪声。 典型应用电路如下： 1：精密基准电压源(附图 1)该电路具有良好的温度稳定性及较大的输出电流。 但在连接容性负载时，应特别注意 CL 的取值，以免自激。 2： 可调稳压电源（附图 2）Vo 可在 2.536V 之间调节。 V0=Vref(1+R1/R2) (Vref=2.5v),由于承受电压与（Vi Vo）有关，因此压差很大时， R 的功耗随之增加。使用时注意。 3：过电压保护电路（附图 3）当 Vi 超过一定电压时，TL431 触发，使晶闸管导 通，产生瞬间大电流，将保险丝熔断，从而保护后极电路。V 保护点=（1+R1/R2）Vref. 4：恒流源电路（附图 4-拉电流负载） （附图 5-灌电流负载）恒流值与 Vref 和外加电阻有关，功率晶体管选用时要考虑余量。该恒流源如与稳压线路配接，可做电 流限制器用。 5：比较器（附图 6）它是巧妙的运用了 Vref=2.5v 这个临界电压。当 ViVref 时， Vo=2V 由于 TL431 内阻小，因而输入输出波形跟踪良好。 6：电压监视器（附图 7）利用 TL431 的转移特性，组成实用电压监视器。当电 压处于上下限电压之间，LED 电量，上下限电压分别为（1+R1/R2）Vref 和（1+R3/R4） Vref 2.4 放大电路稳压电路 图 3 放大电路图 4 稳压电路 LM324 系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大 器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 12 页 共 19 页 源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消 除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 每一组运算放大器可用图 1 所示的 符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-” 为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示 运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 图 5TL431 当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为 运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如 LM324 运放开环放大倍数为 100dB， 既 10 万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电 平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。 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。 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。 TL431 可等效为一只稳压二极管， 其基本连接方法如下图所示。 下图 a 可作 2.5V 基 准 源 ， 下 图 b 作 可 调 基 准 源 ， 电 阻 R2 和 R3 与 输 出 电 压 的 关 系 为 U0=2.5(1+R2/R3)V0 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 13 页 共 19 页 图 6TL431 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 14 页 共 19 页 第第 3 3 章章 课程设计的分析课程设计的分析 3.1 部分结构与功能分析 3.1.1 桥路分析 二线制桥式测温电路硬件原理图见附录所示，转换电路采用的是桥式测量的方 法，其中 R1、R2、VR2 以及 Pt100 构成测量桥。敏感元件 Pt100 与滑动变阻器 VR2 接在 相邻桥臂上 R1、 R2 为定值电阻， 其大小为 2K。 在室温下测得 Pt100 阻值约为 104 欧姆， 根据电桥平衡条件: 13(2) 24(100) RRR VR RRR Pt 所以，应先将滑动变阻器 VR2 阻值调为 104 欧姆，以保证电桥平横。其中，在测量 时 VR2 的阻值不再变动， 而 Pt100 的阻值会随温度的变化而变化， 故此电桥为单臂电桥。 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。他的输出电压用两个电 阻就可以任意的设置到从 2.5V 到 36V 范围内的任何值。此电路中也应用到了 TL431， 它与滑动变阻器 VR1 配用实现对电桥的供电，此电路中供电电压设为 4.096V，近似为 4.1V。 3.1.2 放大电路分析 通过电桥测得的电压变化量是极其微弱的，不方便对其进行测量，故本电路中用到 了 LM324 的放大作用对所测得的电信号进行放大。放大电路如图： 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 15 页 共 19 页 图 7 信号放大部分原理图 LM324 内共包含 4 个运算放大器，本电路只用到其中的一个作为放大作用。若设电桥电 压的变化为 Uc，设放大后电压为 Ue，那么 6 100 4 R UeUcUc R 故经运算放大器之后，桥路所测电压被放大了 100 倍，经由 R7 输出到测量端，在测量 端的电压已足够大，满足可测量的要求，这样，从信号的检测，转换以及信号的放大、 输出便完成了。 3.2 设计及调试注意点： 1. 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； 2. 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数， 以便满足设计者对温度范围的要求 3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作 4. VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零 点温度为0，即0时电阻为100，当电位器阻值调至109.885时，温度的零点 就被设定在了25。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入 电路后测量的电阻值发生了改变。 5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时测量输 出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号 为 4.096*(R Pt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1） 式中电阻值以电路工作时量取的为准。 吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化课程设计 第 16 页 共 19 页 6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC 发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温 度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据式（1）进行计算得知。 3.3 调试过程分析 硬件电路焊接好经检查确认无误后，便可开始调试。应先调节与Pt100接于相邻桥臂的 电位器VR2，使其阻值与室温状态下Pt10