（检测技术与自动化装置专业论文）铂电阻的非线性补偿方法研究.pdf

摘要 摘要 温度检测对于国民经济等各领域有着非常重要的意义和价值，因此良 好的温度检测系统对于温度检测来说就显得尤为重要。本文研究的温度 检测系统就是为了完成本单位温度检测工作。由于工作要求精度高，测 量范围广，需要研制一种方便的以精密铂电阻为标准传感器的高精度数 字温度检测系统。精度问题是本系统需要解决的一个非常重要的问题， 要求检测精度达n 土o 0 2 以上。 本文首先简要介绍t n 温的方法、特点及测温铂电阻的特性。在此基 础上结合系统的实际指标和要求设计了能够提高铂电阻测温精度的硬件 检测电路，同时通过数学方法直接寻求铂热电阻的t ( d ) 函数关系，对 铂电阻在测量过程中可能产生的误差在t ( d ) 函数中给予补偿，使铂电阻 在对温度测量时，测量精度大大提高。 由于本课题是在对现有测温硬件系统改进的基础上，用数学方法进 一步提高测温精度的，所以本课题所用到的方法在高精度测量领域中具 有很高的针对性和实用性。 关键词：铂电阻；温度测量；非线性；曲线拟合；分段最d , z - 乘法 a b s t r a c t a b s t r a c t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n th a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n dv a l u ef o r t h en a t i o n a le c o n o m ya n do t h e ra r e a s ，s oi ts e e m sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tf o r ”t e m p e r a t u r em e a s u r es y s t e m t h et e m p e r a t u r em e a s u r es y s t e mi nt h ep a p e ri s t o c o m p l e t e t h ew o r ko ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t b e c a u s eo ft h e r e q u i r e m e n tf o rh i g ha c c u r a c ya n dw i d em e a s u r er a n g e ，i td e m a n d sak i n do f h i g h - p r e c i s i o nd i g i t a lt e m p e r a t u r em e a s u r es y s t e mw h i c ht a k e sp r e c i s i o n p l a t i n u mr e s i s t a n c ea ss t a n d a r ds e n s o r t h ep r o b l e mo fa c c u r a c yi s av e r y i m p o r t a n ti s s u et ob es o l v e da n dd e t e c t i o na c c u r a c yi s 士o 0 2 。ca b o v e t h e p a p e r f i r s ti n t r o d u c e st h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm e t h o d s ， c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a t i n u mr e s i s t a n c e w ed e s i g na h a r d w a r ed e t e c t i o nc i r c u i tt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fp r e c i s i o n p l a t i n u m r e s i s t a n c eb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fi n d i c a t o r ss y s t e m ，a n da tt h es a m e t i m ef i n dt ( d ) f u n c t i o no fp l a t i n u mb ym a t h e m a t i c a lm e t h o d ，w h i c hc a n c o m p e n s a t e e r r o ri nt h em e a s u r ep r o c e s so f p l a t i n u mt oi m p r o v em e a s u r e m e n t a c c u r a c y t h et o p i cm a k e su s eo fm a t h e m a t i c a lm e t h o d st of u r t h e ri m p r o v et h e a c c u r a c yo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to nt h eb a s i so fi m p r o v e dh a r d w a r e s y s t e m ，s ot h em e t h o di nt h et o p i ci sh i g h l yt a r g e t e da n dp r a c t i c a li nt h ea r e a o f h i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t k e y w o r d ：p l a t i n u mr e s i s t a n c e ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，n o n l i n e a r , c u r v e f i t t i n g ，s u b l e a s t s q u a r e sm e t h o d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 耕嗜 出咖岱年多月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 0 保密o 。 学位论文储虢獬蝴、 膊易月弓日 指导教师签名：o c 小卵 础6 月多e t 第一章概述 第一章概述 1 1 国内外温度检测技术研究现状 温度是在工业、农业、国防和科研等部门中应用最普遍的被测物理 量。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中位居首位，约占5 0 左右。因此，温度测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生 产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用【1 1 。 1 1 1 常用的温度测量方法 根据测温方式的不同，温度测量通常可分为接触式和非接触式测温两大 类【2 1 。 接触式测温的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的 热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等， 温度计就可据此测出被测对象的温度。因此，接触式测温一方面有测温精度 相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点；另一方面也存在由于 感温元件与被测介质直接接触，从而影响被测介质热平衡状态，而接触不良 则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件 性能和寿命等缺点。根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀式、热 阻式、热电式等多种形式。 非接触式测温的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受 被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。因此，非接触 式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计的很高， 便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点【3 1 。两类测温方法的主要 特点如下表1 1 所示。 武汉_ t 程大学硕士学位论文 表1 1 两种测温方法的主要特点 方式接触式 非接触式 测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的 需准确知道被测对象表面发射 加入几乎不改变对象的温度；被测温度小超过率；被测对象的辐射能充分照 感温元件能承受的上限温度；被测对象不对感 射到检测元件上 温元件产生腐蚀 测量范围特别适合1 2 0 0 。c 以下、热容大、无腐蚀性对 原理上测量范围可以从超低温 象的连续在线测温，对高于1 3 0 0 c 以上的温度到极高温，但1 0 0 0 以下，测 测量较困难 量误差大，能测运动物体或 热容小的物体温度 精度工业用表通常为1 0 、0 5 、0 2 及0 1 级，实验 通常为1 0 、1 5 、2 5 级 室用表可达0 o l 级 响应速度慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为2 3 秒钟 其他特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护 整个测温系统结构复杂、体积 方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体 大、调整麻烦、价格昂贵；仪 实际温度；可方便地组成多路集中测最与控制表读数通常只反映被测物体表 系统面温度( 需进一步转换) ；不易 组成测温、控温一体化的温度 控制装置 从温度检测使用的温度计来看，主要包括以下几种【4 】： 1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 利用物体热胀冷缩制成的温度计分为如下三大类： ( 1 ) 玻璃温度计：利用玻璃感温包内的测温物质( 水银、酒精、甲苯、煤 油等) 受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量。 ( 2 ) 双金属温度计：采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制成 的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种 金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出 相应温度。 ( 3 ) 压力式温度计：由感温物质( 氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低 沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等) 随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管 压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。 2 利用热电效应技术制成的温度检测元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较 2 第一章概述 成熟，至今仍为应用最广泛的温度检测元件。热电偶具有结构简单、制作方 便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种。 ( 1 ) 镍铬一镍硅，型号为w r n ，分度号为k ，测温范围0 9 0 0 ，短期可 测1 2 0 0 。 ( 2 ) 镍铬康铜，型号为w r k ，分度号为f ，测温范围0 - 6 0 0 0 ，短期可测 8 0 0 。 ( 3 ) 铂铑一铂，型号为w r p ，分度号为s ，在1 3 0 0 。c 以下的温度可长期 使用，短期可测1 6 0 0 。 ( 4 ) 铂铑3 旺铂铐6 ，型号为w r r ，分度号为b ，测温范围3 0 0 1 6 0 0 。c ， 短期可测1 8 0 0 。 3 利用热阻效应技术制成的温度计 用热阻效应技术制成的温度计可分成以下几种： ( 1 ) 电阻测温元件，它是利用感温元件( 导体) 的电阻随温度变化的性质， 将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有 铂热电阻和铜热电阻。 ( 2 ) 半导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度 系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。 ( 3 ) 陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶 瓷材料制作而成的热敏元件，常称为p c t 或n c t 热敏元件。p c t 热敏元件 分为突变型及缓变型二类。突变型p c t 元件的温阻特性是当温度达到顶点 时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型p c t 元 件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。n c t 元 件特性与p c t 元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。 4 利用热辐射原理制成的高温计 热辐射高温计通常分为两种。一种是单色辐射高温计，一般称光学高温 计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性 质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温 度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。 3 武汉工程大学硕士学位论文 1 1 2国内外温度检测技术现状及发展趋势 近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用， 已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善，它们主要 有以下几种： 1 晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度 系数比金属大l 2 个数量级，二极管和三极管的p n 结电压、电容对温度灵 敏度很高。基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件。 2 集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系( 即半导体p n 结的温度特 性) 进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体， 封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行 了生产。 3 核磁共振温度检测器 所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场 垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率 随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。 这种检测器精度极高，可以测量出干分之一开尔文，而且输出的频率信号适 于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作 理想的标准温度计之用。 4 热噪声温度检测器 它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点如 下： ( 1 ) 输出噪声电压大小与温度是比例关系； ( 2 ) 不受压力影响； ( 3 ) 感温元件的阻值几乎不影响测量精确度； 因此，它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测 器。 5 石英晶体温度检测器 4 第一章概述 它采用l c 或y 型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作 的。它可以自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到 0 0 0 1 ，所以可作标准检测之用。 6 光纤温度检测器 光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，己开发了开关式 温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。它是利用双折射光纤 的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器，检测 精度在士1 以内，测温范围可以从绝对0 。c 到2 0 0 0 。 7 激光温度检测器 激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量，用氮氖激光源的 激光作反射计可测得很高的温度，精度达l ；用激光干涉和散射原理制作 的温度检测器可测量更高的温度，上限可达3 0 0 0 ，专门用于核聚变研究， 但在工业上应用还需进一步开发和实验。 7+ 8 微波温度检测器 采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下， 温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为 2 5 0 k h z 。c ，精度为1 左右，检测范围为2 0 1 4 0 0 。 从以上材料可以看出，当前温度检测的发展趋势组合要集中在以下几 个方面： a 扩展检测范围 现在工业上通用的温度检测范围为一2 0 0 3 0 0 0 ，而今后要求能测量超高 温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如1 0 k 以下的温 度检测是当前重点研究课题。 b 扩大测温对象 温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围 己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。 c 新产品的开发 利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型 产品，以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。 5 武汉工程大学硕士学位论文 d 加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。 如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻 温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。 e 向智能化、集成化、适用化方向发展。 新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机 向智能化方向发展。向机电一体化方向发展。 1 2 课题的工程背景 在工业领域，温度、压力、流量是最常见的三大被检测的物理参数，其 中最广泛的还是温度量的测量，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，对 现场温度的测量也由过去的刻度温度计、指针温度计向数字显示的智能温度 计发展，而且，对测量的精度要求也越来越高【5 】。当然，对不同的工艺要求， 其测量的精度要求不尽相同，这些是显而易见的，譬如，在测量电机的轴温 时，可能测量的允许差达l 以上，但在某些场合，温度的检测与控制需要 达到很高的精度。以化工生产中联碱行业为例，联碱外冷器液氨致冷技术作 为8 0 年代中期化工部重点推广的技改项目之一，已被各联碱厂相继采用， 并在生产实践中得到不断改进，已成为业内公认的一项成熟、有效的节能降 耗技术。但至今仍存在外冷器生产能力偏低、运行周期短和节能效果不理想 等问题。而外冷器进出口母液温差是影响外冷器生产能力和运行周期的一个 重要因素，从长期的生产经验看，混合溶液每次流经外冷器时，进、出口 温差以o 5 0 c 为宜。因此，精确测量与控制通过外冷器混合溶液的进、出口 温差是指导该生产工艺的一个重要环节【6 】。 事实上，由于精度要求较高，在实际生产中该环节的温差测控问题一直 没能得到很好解决。经调研知，在全国范围内几乎所有化工集团的联碱行业 的生产情况都如此，他们迫切希望能解决这一问题。在其它许多场合( 如发 酵工艺) 中，温度的准确测量与控制同样具有相当强的实践指导作用r 7 1 。目 前，虽然国内外已有很多温度测控装置，但温度测量的精度达到o 0 5 ，并 能适用于类似制碱工艺要求的外冷器低温差的精确检测与控制在国内尚属 空白。该课题的研究能实现外冷器温差的高精度检测与控制，可推广应用到 6 第一章概述 其它化工生产过程及其相关领域中需要对温差与温度进行高精度实时测控 的场合。因此，研发高精度温度与温差测控系统具有很好的应用前景。 本选题是在省教育厅科研项目“高精度智能温度测控系统的研究 的基础 上，专门针对如何消除热电阻测温存在的非线性误差、提高测温精度，以满 足实际需要而进行的一项研究。 本课题的研究具有很高的针对性，它以数据采样硬件系统为基础，寻求 传感器经过模数转换转换后的数字信号和对应的标准温度计读数之间的关 系，再用相应的补偿方法予以处理，具有很高的精度。并且本课题所用到的 误差补偿方法，只要作适当的调整，也可用于其他高精度测量领域。 1 3 温度测量系统的主要性能指标 作为高精度温差与温度测控系统，必须做到功耗低、成本低、可靠性 高。不仅应能进行外冷器低温差的精确检测与控制，而且能适用于其它 要求测、控温精度高和范围宽的场合。该系统的主要技术指标如下： 测量范围：o 1 0 0 ； 分辨率：o 0 0 2 ； 测温精度：o 0 2 。 7 第二章传感器的选取及系统总体设计 第二章传感器的选取及系统总体设计 2 1 传感器的选取 由于铂热电阻精度高、灵敏度高、性能稳定，在中、低温测量中占有重 要的地位，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。而本系 统的温度测量范围为0 - v 1 0 0 ，因此首选铂电阻作为温度传感器【8 1 。 按电阻一温度特性的不同，热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻两 大类【8 】。本系统选用的铂电阻属于金属热电阻，而热敏电阻是属于半导体电 阻。与热电偶、热敏电阻相比，铂的物理、化学性能非常稳定，尤其是耐氧 化能力很强，离散度很小，精度最高，灵敏度也较好。铂电阻的主要优点是。 电阻率较高，易于提纯，复制性好，易于加工，可以制成极细的铂丝或极薄 的铂箔。其缺点是：电阻温度系数小，在还原性介质中工作易变脆，价格昂 贵。由于铂具有一系列突出优点，是目前制造热电阻的最好材料。在1 9 8 9 年国际实用温标( i t s 一9 0 ) 中，规定在一2 9 5 2 3 6 3 0 7 4 温度范围内，以 铂热电阻作为标准仪器，传递从1 3 8 1 k 到9 0 3 8 9 k 温度范围内国际实用温 标【9 】。 在我国，根据中华人民共和国国家计量检定规程工业铂、铜热电阻 中的规定，铂电阻的电阻温度关系如下。 对于一2 0 0 o 的温度范围： r ( 垆哦( o ) 1 + a t + b t 2 + c ( t - 10 0 ) t 3 】 对于0 8 5 0 的温度范围： 月( 力= 尺( o ) ( 1 + a 什b 产) 式中： r ( o ：在温度为f 时铂电阻的电阻值，q ； f ：温度， 尺( o ) ：在温度为o c 时铂电阻的电阻值，q ； a ：常数，其值为3 9 0 8 3 x1 0 0 ； b ：常数，其值为一5 7 7 5 x1 0 。7 ； 9 武汉工程大学硕士学位论文 c ：常数，其值为4 1 8 3 x 1 0 。1 2 ； 然而，铂电阻自身存在的非线性和不平衡电桥的非线性，会给测量带来误差。 如果不解决非线性误差问题，铂电阻高精度、高灵敏度的优势就无法体现， 甚至会影响整个系统的可行性和可靠性。因此，必须对铂电阻的补偿方法进 行研究以提高其测温精度，这也是使高精度智能温度测控系统正常工作的前 提条件。 2 2 温度采集系统总体方案设计 如图2 1 ，温度采集系统主要由前端检测电路、控制器、输入输出设 备、上位机及其它外围辅助电路组成。由于系统误差主要来源于前端检 测电路，故本文主要介绍前端检测电路的设计方法和原始采集数据的处 理过程。 图2 1 温度采集系统总体方案 通常，前端检测电路主要有信号采集放大电路，信号滤波电路，a d 转换电路，以及辅助恒流源、电压基准电路组成。 本文在设计前端检测电路时，电压信号是由p t l 0 0 的电阻改变量与流过 其的电流乘积再经过放大得到的。如果不作一定的处理，p t l 0 0 供电的电流 源稍有扰动，经过放大器放大后的电压信号就会有很大改变。为此，在p t l 0 0 和a d c 之间用一个电压控制电流源( v c c s ) 来使其间建立联系，使它们 间呈一定的线性关系，这样就使电压信号经过模数转换器转换后的数字信号 不会因电压的不稳而带来干扰，从而排除了由于电源不稳定而造成误差的可 1 0 第二章传感器的选取及系统整体设计 能性。系统在具体工作时，由于热电阻的阻值会随着温度的增加而增加，当 有电流流过热电阻时，就会产生一个电压信号。此电压信号经放大器放大， 再经低通滤波，送入模数转换器转换为数字信号。前端检测电路可以分为三 个部分：p t l 0 0 传感器的信号测量及放大电路、精密恒流源电路、a d 转换 电路。 第三章前端检测电路的设计 第三章前端检测电路的设计 前端温度检测电路主要分为3 个模块：p t l 0 0 传感器的信号采集及放大 电路，恒流源电路，a d 转换电路。 3 1前端检测电路的设计要求 为了减小铂电阻的接触电阻和引线电阻对其的影响，铂电阻可采用三线 制或四线制的连接方式，即将热电阻接到电桥的一个桥臂上，通过测量不平 衡电桥的输出得到温度值在这种方法中，铂电阻的非线性和不平衡电桥的 非线性，会给测量带来误差【1 0 1 。而且，铂电阻作为温度传感器使用时，必 须把它放在测温现场，从测温点到测量变换电路之间的布线长度少则几米， 多则几十米甚至上百米，这样长的连接导线，即使不计热噪电阻，它自身的 引线电阻也是相当可观的如5 0 - - 一1 0 0 m 长的连接导线，引线电阻一般为4 1 0 q 。而对常用的p t l 0 0 铂电阻来说，温度的变化率约为0 3 9 1 d ，与该 变化率相比，引线电阻对测量精度的影响也很大。本章针对传统三线制温度 测量引起误差的原因，提出对电路的改进方法，从而降低非线性误差【1 l 】。 3 2常用的设计方法简述 3 2 1 常用温度测量电路 大多数温度检测电路中，采用恒流源或恒压源，也有的提到用比例法， 其实质是采用恒流源或恒压源对温度传感器供电，只是在最后消除电压或电 流的影响【1 2 】。图3 1 所示是一种采用p t l 0 0 三线制接法和恒流源供电的采集 电路，为了减小元件热效应的影响，恒流源提供的电流应不大于2 m a 。 1 3 武汉工程大学硕士学位论文 图3 1 普通三线制测温电路 从图3 1 可知： 当尺。般1 2 欲2 时，通过r o 和尺2 的电流相等。 u t = a ，s c t r t ( 3 1 ) 式中a 为运放电压增益，k 为恒流源输出电流，风为铂电阻p t l 0 0 相 对于0 。c 时的电阻变化值。 但在上述电路中，由于引线存在电阻，而且引线的电阻温度系数较大， 当环境温度发生变化时，其阻值也随之发生变化，因而环境温度变化会造成 较大的测量误差。 3 2 2 有源电桥温度采集电路 若采用图3 1 所示电路，因引线存在电阻，而且引线的电阻温度系数较 大，当环境温度发生变化时，其阻值也随之发生变化，因而环境温度变化会 造成较大的测量误差。要消除以上影响，可将电路改进至图3 2 所示测温电 路【13 1 。 1 4 第三章前端检测电路的设计 ，五霹事， 图3 2 有源电桥温度采集电路 设r 6 r 5 = m ，厶= u r f 则有u o = 一( 厉h 1 ) ( 尺t + 局1 ) u l = 一( i o + i i ) ( r t + r n + r i z ) u z = ( 1 + 肌) 一m u l = 一( i o + 1 1 ) ( r t + r u - m r i 2 ) u = 一r n r 6 一v c 冰f 1 侬2 ( 3 2 ) 设k = r f l r 2 整理后得： u = 生整! 墨二鱼互二竺垒2 ( 3 3 ) l k r f ( r + 巧一m r s ) 若使得r l l - m r l 产0 ，则有 砂= i o k ( r t - r o )( 3 4 ) ： 、一k r t | r f 因为引线材料长度都相同，所以有r 1 1 = r 1 2 ，这样只需保证m = l ，即r 5 镏6 ， 就可以消除引线电阻的影响。 该电路在理论上可以完全消除引线带来的测量误差，但是由于电桥稳定 性依赖于组成有源电桥的运算放大器，故器件的性能直接影响了整个电路的 测量精度。 1 5 武汉工程大学硕士学位论文 3 3电路的硬件设计 3 3 1电路设计原理 由3 2 2 中分析可知，采用有源电桥的测温电路在温度测量过程中存在 一定的局限性，为了扩大测量领域，可以对该电路进行适当修改，以满足不 同场合的需要。改进电路如图3 3 所示。 图3 3 改进的温度测量电路 3 = c h 惫，i 告，t 一鲁2 。s ， 华 ( 3 6 ) 27 叼华 ( 3 7 令r ，= r 2 = r 3 镏彳镏5 姐6 将( 3 6 ) 式( 3 7 ) 式代入( 3 5 ) 式可得： 3 ? 警心。? 蚴 ( 3 8 ) 1 6 第三章前端检测电路的设计 ( 1 ) 、 由( 3 8 ) 式可知，输出电压只与犬。两端电压差、电阻r 5 和r 7 有关， 因此，测量精度不容易受到放大器本身影响。 ( 2 ) 、 电路采用铂电阻驱动、测量回路分离的方式：其中，局l 、r 1 4 所在回 路为铂电阻驱动电路，负责由电流源向铂电阻供电；r 1 2 、r 1 3 所在回路为铂 电阻测量回路，负责采集铂电阻上的变化电压信号。( 尺i l 、r 1 2 、r 1 3 、尺1 4 为 现场布线电阻) 从图3 3 中可以发现，只要保证恒流源输出不变，当温度发生变化时， 即使局l 、尺1 4 发生变化，也不会影响尺。上电压值；同时采用u 1 、u 2 两个运 放作为输入缓冲，使得输入电流极小( 几心) ，从而使尺1 2 、局3 的电阻变化 产生的电压变化对输入电压影响几乎可以忽略，即使是这样微弱的电压变 化，在( 3 8 ) 式中也会由于( u l _ u i 2 ) 项的存在而相互抵消，从而完全避 免了由于现场布线及布线温度系数带来的误差。 图3 3 中电路存在的问题： ( a ) 、由以上分析可知，本电路只有在恒流源输出不变的情况下才能有 高精度的测量效果，所以恒流源的设计成为整个电路的重点所在。 ( b ) 、由于放弃了输入部分的电桥电路，使得在o 时输出电压不为零， 使输出部分的动态范围缩小，不利于a d 转换电路部分的工作，必须通过 其他方法对此进行补偿。 为了解决问题2 ，可在u 0 3 后增加一个运放作为减法器，用来抵消0 。c 时 铂电阻上所产生的电压。如图3 3 中 u o ? 去，c 志此? 去叫3 - 若取r f = 4 r 4 l 、r 4 3 = 4 r 4 2 ，则式( 3 9 ) 可简化得： ? 4 ( 37 3 ) ( 3 1 0 ) 通过调整r w 改变矾3 的大小，使得0 。c 时为零，即可解决输出动 态范围过小的问题。 2 、恒流源的设计 要想使得图3 3 中电路达到高精度就需要一个高精度的，稳定性好的恒 流源k 。本电路恒流源设计如下。 1 7 武汉工程大学硕士学位论文 精密直流电流源电路如图3 4 所示 图3 4 精密直流电流源电路 恒流源基本实现是：由电压基准芯片生成恒定电压，经过集成恒流 源l m 3 3 4 输出恒定电流k 。 l 、基本恒流源电路及计算 2 、 牛v l n 图3 5 基本恒流源电路 l m 3 3 4 的输出电流s e a 是流过r s e t 的电流糸和l m 3 3 4 的偏置电流i b i a s 的和。对于大多数电流而言，满足下式 k ? ( 善) ( 1 0 5 9 ) ? _ 2 2 7 u v o k ( 3 1 1 ) i 【s e ti t s e t 上式表明，恒流源只有在温度恒定时才是恒流的，否则电流随温度变化。 或者说当r s e t 确定后，1 s e a 随温度线性变化。 3 、零温度系数的恒流源 通过对图3 5 的电路做适当修改，就可以构成抵消l m 3 3 4 温度漂移的零 1 8 第三章前端检测电路的设计 温度系数恒流源。 其中，l m 3 3 4 为正温度系数( 约+ o 2 3 m v 。c ) 器件，而硅二极管的正向 偏压为负温度系数( 约为一2 5 m v 。c ) 。图中： is 盯f ! i l 飞1 2 飞i b s q 1 2 ) 其中? 监，厶? 盟 1 墨 r 理想化条件下，令i b i a s = o ，可得到下式： k ? 厶? 厶对温度求导： d i s e t d i t - d 1 2 d t d t l d t 2 2 7 u v | o c2 2 7 u v | o c 一2j 5 m v | o c + 喝必 = 0 一r225mv。c-227uv。c100 ( 3 1 0 。) 一一 t ) 上， 墨 2 2 7 u vo c 即r 2 = 1 0 r l ，为了降低电流热效应给电路带来的不利影响，通常恒流源 提供的电流不宜过大，这里可取尽e f = 1 m a 。若尽e f l n 认，则需要使得： r 1 = 1 3 4 q = 1 0 r 2 ，r 2 = 1 3 4 i c q 。电路如图3 6 所示。 图3 6 零温度系数的电流源电路 1 9 武汉工程大学硕十学位论文 3 、a d 转换电路的设计 模数转换器( a d c ) 是前向通道中的关键器件。它实现了将被测控对象 的模拟信号( 温度、压力、流量等) 转换成计算机可以接受处理的数字量信 掣1 4 1 。 同时，在a d 转换过程中，带外杂散信号所引起的混叠现象是a d 转 换器应用中所面临的一个关键问题，如果没有适当的滤波处理，这些信号会 严重影响数据转换系统的性能指标【1 6 】。 这就需要在设计a d 转换电路的时候，加入抗混叠滤波器。设计抗混叠 滤波器需要首先确定所希望的滤波特性( 截止频率、过渡带衰减等) ，然后选 择能够满足应用需求的最佳滤波方案( 有时称为滤波器类型) 。一般情况下， 采用过采样、而且过采样频率越高，滤波器设计越容易。但是，过采样需要 更高速率的a d c ，成本也越高。 基于以上分析，本文采用抗混叠的a d 转换电路设计，图3 7 是a d 转 换及其滤波方案，本方案中采用了八阶低通椭圆滤波器m a x 7 4 0 3 和1 6 位 串行a d 转换芯片m a x l1 6 9 作为a d 转换电路的核心元件。 “：+ ：。 l “椭分m 、脚l l 卯 “bw k ，一、 ， ，。 i 图3 7 带抗混叠滤波器的a d 采样电路 2 0 第三章前端检测电路的设计 3 3 2 关键元器件的选取 1 、运算放大器 运算放大器选用的是国家半导体公司( n s ) 的l m 2 0 1 4 高精度低温漂运 算放大器。l m p 2 0 1 4 放大器的输入补偿电压极低，而且在较长时间及较广 阔的温度范围内都可保持高达0 0 1 5 p v 。c 的稳定性。这款放大器芯片的共 模抑制率、电源抑制比及开环增益都极高，而且全部高达1 2 0 d b 以上。 l m p 2 0 1 4 放大器的频带噪音较为平坦( 3 5 n v h z ) ，而且不会产生中频噪音 【1 7 】 o l m 2 0 1 4 的主要性能指标： 输入失调电压，0 1 2 1 a v 电压漂移温度系数，0 0 15 1 a v 。c 长期失调漂移，0 0 0 6 p v m o n t h 共模抑制比，1 3 0 d b 电源抑制比，1 2 0 d b o 阱鑫 i h0 - 搠扩 1 r 嘣矿 撤c 锐玎e 2 0 1 1 r 估a l l l l , t o pv i e w 图3 8u 以p 2 0 1 4 引脚配置 2 l 武汉丁程大学硕士学位论文 塞 萋 垂 o f f s e tv o l ：圜l ev 1 s w p j t yv o i t a g no l t t 1 ，o h g v i i c o m m o n 吼。由 ， ，一 簟 一 i 一- 一乒簪 ；_ 一 l i 御泸c 一2 5 0 盛；7 l o 屯一硼 毒c 毫=锹 l一 ， ， 甜c 3 。 觞a拍4 4 6 55 5 - 0 2o 量1 8 2 8 3 84 , 8 斟艄y 姻薯臌狮铆删慨v o l t , 氏g e l v ) 图3 9失调电压与供电电压关系及普通模式下失调电压 2 、电压基准芯片 电压基准芯片选用m a x i m 公司的5 v 电压基准芯片m a x 6 3 5 0 。 m a x 6 3 5 0 几项重要技术指标【1 8 】： 1 低温漂，l p p r n 。c 2 低噪声，1 5 1 a v p p 的噪声( o 1 一l o 赫兹) ( 见图3 “) 3 长时间稳定性好，3 0 p p m 1 0 0 0 h r 4 低功耗，l8 h w 功耗 5 初始化精度士o 0 2 1 c 。 粥 黼 g i & l c 玎 碣嘲 图3 1 0m a x 6 3 5 0 引脚配置 磅8 e 4 2 o 口4 4 毒俯 3毗缆鼻吧hql攀o 矗o 2 o 4 口4 4 西 第三章前端检测电路的设计 m a x $ 3 5 0 0 l | t p i l l 啪斑v 眦t 矗8 e b e 髂h l i f 鸭。f r t - q u e h c y 妻 雹 多 懈x 6 3 s a 0 1 抽1 明z 啪隧 婚鞴荆 图3 11m a x 6 3 5 0 在o 1 l o h z 处的噪声及c n r 对输出电压噪声的影响 m a x 6 3 5 0 在这个系统中既是恒流源的参考电压也是a d 芯片的参考电 压。所以m a x 6 3 5 0 的精度是这个测量系统精度的保证。而m a x 6 3 5 0 的温 漂小，纹波噪声小( 见图3 1 1 ) ，精度高，所以稳压芯片选用m a x 6 3 5 0 。 当m a x 6 3 5 0 工作在频率l o h z 一1 0 k h z 区间时，n r 脚接电容c n r 与否直 接影响了输出电压的输出噪声。在接电容( c n r = l u f ) 后，在1 0 h z 时输出噪声 与未接电容( c n r = o u f ) 时相差不大，但是到了3 0 h z 处，c n r = l u f 的输出 噪声为3 0 n v h z 而c n r = 0 u f 的输出噪声是4 5 n v h z ；当频率 l o o h z 时， c n r _ l 心的输出噪声为 1 5 n v h z 而c n r - - - - - o l f 的输出噪声是4 0 n v h z ，显 然当在n r 脚接上1l a f 的电容c n r 能很好的改善m a x 6 3 5 0 的输出噪声。 m a x 6 3 5 0 噪声抑制电容参考电路如图3 1 2 所示。 2 3 街力船竹o 龉毫毫_u协函a|slo三fknno 武汉工程大学硕士学位论文 甜r 0 3 6 v l n p 沂 。o 阴o 翔a l - 图3 1 2 噪声抑制电容电路 o 忻 3 三端可调恒流源 l m 3 3 4 是美国国家半导体公司生产的三端可调恒流源器件，在工作电流 内恒流源可调范围比为1 0 0 0 0 ：1 ，并且具有1 v 4 0 v 宽的动态电压范围， 恒流特性非常好。恒流源的建立只需一只外接电阻而不需要其他元件。该器 件还具有与绝对温度( k ) 成正比的敏感电压特性，通过一只电阻和二极管 可以获得零温度漂移的恒流源【1 9 1 。 t o 一9 2p l a s t i cp a c k a g e v 4 - rv d s 0 0 r a e g t - l o b o t t o mv i e w o r d e rn u m b e rl m 3 3 4 z , l m 2 3 4 z - 3o rl m 2 3 4 z - 6 s e en sp a c k a g en u m b e rz 0 3 a 图3 1 3t o 一9 2 塑封l m 3 3 4 底视图 4 、抗混叠滤波器 抗混叠滤波器选用的是美信公司( m a x i m ) 的7 4 0 3 八阶低通椭圆 滤波器。该滤波器仅需2 m a 供电电流，允许拐角频率1 h z - v 1 0 k h z ，使之能很 好的满足低功耗抗锯齿和滤波的应用，并提供8 2 d b 的带阻抑制【2 0 】。 2 4 第三章前端检测电路的设计 c o m 焖 g n d v 如 e u ( ； s h d n o s o u 丁 s c 够d l p 图3 1 47 4 0 3 引脚配置 图3 15m a x 7 4 0 3 组成的偏移可调电路 5 、a d 转换器 a d 转换器选用的是美信公司( 删i m ) 的m a x l1 6 9 串行a d 转换芯片。 m a x l1 6 9 是一款低功耗、1 6 位、逐次逼近型模数转换器( a d c ) ，具有自动 关断功能、片上4 m h z 时钟、+ 4 0 9 6 v 内部基准以及可以工作在快速和高速 模式下的f c 兼容2 线串行接口。m a x l l 6 9 采用单电源供电，在5 8 6 k s p s 最高 转换速率下功耗为5 m w 。可选的独立数字供电电压允许与+ 2 7 v 至+ 5 5 v 数 字逻辑直接接口。m a x l 16 9 使用内部4 m h z 时钟对单路模拟输入进行单极性 转换。满量程模拟输入范围由内部基准或外部提供的l v 至a v d d 基准电压决 定【2 1 】。 武汉工程大学硕士学位论文 舳 孵 l l e f 删 躬挺陷 脚n 黼 捌幻 图3 1 6m a x l1 6 9 引脚配置 3 4电路抗干扰技术及措施 系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统抗干扰性能是可靠性的重 要指标。抗干扰性能的好坏将决定系统能否在复杂的工作环境下稳定可靠地 工作，从而决定了系统的实际使用价值。系统的干扰可以由各种线路侵入， 并以各种方式作用于系统中。其中供电线路是电网中各种浪涌电压入侵系统 的主要途径，系统接地不良或不合理亦可引入干扰，各类传感器，输入输出 线路的绝缘不良，均能引入干扰【2 2 】。 印刷电路板是微机系统中元器件、信号线、电源线的高密度的集合体。 印刷电路板设计必须符合系统抗干扰的设计原则，印刷电路板设计的好坏对 系统抗干扰能力有很大影响【2 3 1 。 3 4 1印刷电路板的整体布局和电气连线 一台性能良好的仪器，除选择高质量的元器件、设计合理的电路外，印 刷线路板上元器件的正确布局和合理的电气连线都至关重要。正确的布局和 合理的电气连线，既可消除因元件布置和电气布线不当而产生的噪声干扰， 同时也便于生产中的安装、调试与检修。 l 、印刷电路板的布局 印刷电路板的几何尺寸受到仪器机箱外壳大小的限制，大小要适中，这 样有利于元件放置和电气连线。印刷电路板尺寸过大，则印制线条加长，阻 抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小，则电路板散热性能不好， 2 6 第三章前端检测电路的设计 且邻近导线间容易产生交叉干扰。