Cu50温度传感器的设计.doc

工工学院毕业设计（论文）Cu50温度传感器的设计专 业：机电一体化技术班 级：机电0923学 号：0901212339学生姓名：校内指导教师：二零一二年四月二十日目录摘要3第一章前言41.1 课题研究的意义4第二章 铜电阻测温电路的非线性误差校正方案52.1 铜电阻的非线性特征52.2设计方案62.3方案比较82.4 题目分析92.5电路分析92.6 实验论证10第三章元器件的简介及其原理153.1铜热电阻153.2 二极管153.3三极管16结束语18参考文献19附录20 摘要为克服铜电阻温度传感器的非线性带来的误差，在对铜电阻的非线性特性研究的基础上，设计了以恒流源非平衡电桥为基础的测温电路来代替传统的测温电桥。同时，采用分段最小二乘法拟合反向分度函数，以减小铜电阻自身的非线性带来的测量误差。最后给出基于stm32f103vbt6微控制器测温系统的实验结果，结果表明，铜电阻的非线性误差在003以内，测温误差在025，满足大多数场合需要。关键词：铂热电阻；非线性校正；非平衡电桥；分段最d、-乘法；曲线拟合；stm32f103vbgi第一章 前言 1.1 课题研究的意义铜电阻具有测量温度宽，稳定性好，示值复现性高等优点，在一50150范围内被用来作为国际标准温度计。但传统的非平衡电桥的非线性特性和铜电阻的阻值R0与温度t之间的非线性关系给数据处理带来一定的困难。常见的处理方法有硬件校正法和软件校正法。硬件校正法电路简单容易实现，但精度不高，易受温漂等因素干扰不能从理论上完全校正非线性；软件的方法理论上虽然可以校正铜电阻的非线性，但是算法复杂。本文采用软硬件相结合的方法，这种方法简单可行，具有通用性。第二章 铜电阻测温电路的非线性误差校正方案 2.1 铜电阻的非线性特征铜电阻的阻值和温度存在如下关系：Rt=Ro(1+at+bt2) (-50t150)其中Rt和R0分别是t 和0时铜电阻的阻值。当温度系数TCR=0.003 851时，a=3.908 310-3-1b=一5.77510-7-1随着温度的升高，铜电阻的非线性越来越严重，由公式可知，温度的变化率为：dRt/dt=R0(a+2bt)温度的二次变化率为：d2Rt/dt2=2R0B=1.15410-4(/2)图l中曲线2是铜电阻的温度特性曲线，直线l为线性化的理想直线，用此理想直线所带来的非线性误差为：=R0（1+at+bt2）-(R500-R0)t/500+R0图1由图1可知在两曲线相交的中点即300时误差达到最大，代人上式，=3.66，相当于温度的最大误差为10，这种近似不能适应高精度测量的要求，需对其进行线性化处理。2.2 设计方案 方案一非平衡电桥非线性校正方法非平衡电桥结构简单，动态性好，广泛的应用于测温，测压等电路中。但常用的恒压源非平衡电桥的输出电压U与铜电阻R之间存在非线性问题。 图2图2为恒压源非平衡电桥原理图，R1、R2、R3为精密桥臂电阻；感温元件铜电阻Rt其阻值随环境温度t而变化当电源输出电压E一定时，非平衡电桥输出电压为： U(t)=R3/(R1+R3)-Rt/(R2+Rt)E显然，U(t)与Rt是非线性关系。因此，我们需要在非平衡电桥Rt的一臂加恒流源以解决非线性问题。 方案二最小二乘法最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。在函数的最佳平方逼近中，如果以名)只在一组离散点集(xi，yi)，i=0，1m给定，这就是常见的实验数据的曲线拟合，这里Y1=f(xi) i=l，2m，要求一个函数Y=S(x)与所给的数据(xi,yi),i=0,1.m拟合，若记误差i=s(x)-yi,i=ol，m，=（0，1，2.。m）0（x）, 1(x), n(x)是线性无关的函数族在函数族中找一函数S(x), 使误差平方和最小。2.3 方案比较这两种方法都首先都能够实现消除非线性误差的目的，可是相对于第一种方法来说，第二种方法比较复杂，第二种方法需要对微积分有个初步的认识，所以我认为第一种的方案的可行性较好。 2.4 题目分析本电路用交流电路通过滤波作用获得稳压电路对三极管放大器提供电压，通过三极管放大器的虚短和虚断原理达到消除电路非线性误差。如图3 图32.5 电路分析如图3所示：Q1和R1为OP07提供恒压源Vm，由于电压源也不是纯粹的恒压，为消除电压波动，添加R5，和C1作为电源滤波。同时为OP07电源滤波的电容还有c2和c3；R2，R3,R4,RT作为测量电桥，通过检测C端和D端的电压差yo来计算温度的变化，根据集成运算放大器工作在线性区域的输入端虚短特性，OP07 2端电压等于3端电压；由于Q1、R5,C1为OP07 CJ3端提供了相对稳定的电压源Vm，根据集成运算放大器工作在线性区域的输入端虚断特性，流过R4的电流只流经R1，所以相当于有一个恒流源流经R4和R1；当电桥达到动态平衡时，有：R2R4=R1R3通过计算可知：电桥电路的输出电压CD两端的电压为：Vo=VmR1/(R2+R3)从而求得铜热电阻阻值变化量：R1=V0（R2+R3)/Vm可见R1和V0成线性关系，从而解决了普通恒压源电桥电路输出电压存在非线性误差的问题。 实验方案 利用导体电阻随温度变化的特性。常用铜电阻Cu50在-50+150以内，电阻Rt与温度t的关系为： Rt=Ro(1+t) 式中：Ro系温度为0时的电阻值(Cu50在0时的电阻值为Ro50)。是电阻温度系数，4.254.2810-3。铜电阻是用直径为0.1mm的绝缘铜丝绕在绝缘骨架上，再用树脂保护。铜电阻的优点是线性好、价格低、值大，但易氧化，氧化后线性度变差。所以铜电阻检测较低的温。将0.050.07的铜丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷内构成，铜电阻一般是三线制，其中一端接一根引线另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制，导线电阻忽略不计)。实际测量时将铜电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再经放大器放大后直接用电压表显示2.6 实验论证需用器件与单元：机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节024V电源、15V直流稳压电源、2V10V（步进可调）直流稳压电源；温度源、Pt100热电阻(温度控制传感器)、Cu50热电阻(实验传感器)、温度传感器实验模板；压力传感器实验模板(作为直流mV信号发生器)、4位数显万用表。实验步骤：1、温度传感器实验模板放大器调零：按图4示意接线。将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2(增益电位器)顺时针转到底，再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为0(零位调好后RW3电位器旋钮位置不要改动)。关闭主机箱电源。图42、调节温度传感器实验模板放大器的增益K为10倍： 利用压力传感器实验模板的零位偏移电压作为温度实验模板放大器的输入信号来确定温度实验模板放大器的增益K。按图5示意接线，检查接线无误后(尤其要注意实验模板的工作电源15V)，合上主机箱电源开关，调节压力传感器实验模板上的RW2(调零电位器)，使压力传感器实验模板中的放大器输出电压为0.020V(用主机箱电压表测量)；再将0.020V电压输入到温度传感器实验模板的放大器中，再调节温度传感器实验模板中的增益电位器RW2(小心：不要误碰调零电位器RW3)，使温度传感器实验模板放大器的输出电压为0.200V(增益调好后RW2电位器旋钮位置不要改动)。关闭电源。图53、用万用表200欧姆档测量并记录铜热电阻在室温时的电阻值(不要用手抓捏传感器测温端，放在桌面上)，三根引线中同色线为热电阻的一端，异色线为热电阻的另一端(用万用表油量估计误差较大，按理应该用惠斯顿电桥测量，实验是为了理解掌握原理，误差稍大点无所谓，不影响实验)。4、Pt100热电阻测量室温时的输出：撤去压力传感器实验模板。将主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源调节到2V档；电压表量程切换开关打到2V档。再按图6示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关,待电压表显示不再上升处于稳定值时记录室温时温度传感器实验模板放大器的输出电压Vo(电压表显示值)。关闭电源。图65、保留图5的接线同时将实验传感器Pt100铂热电阻插入温度源中，温度源的温度控制接线按图6示意接线。将主机箱上的转速调节旋钮(024V)顺时针转到底(24V)，将调节器控制对象开关拨到Rt.Vi位置。检查接线无误后合上主机箱电源，再合上调节器电源开关和温度源电源开关，将温度源调节控制在40(调节器参数的设置及使用和温度源的使用实验方法参阅实验二十九)，待电压表显示上升到平衡点时记录数据. CU50铜电阻测温实验数据 t() 室温 40 45 80 90 100 Vo(V) 0.23 0.21 0.20 0.181 0.17 0.161 Rt() 54.28 58.5659.63 67.12 69.26 71.40 表中的Rt数据值根据Vo、Vc值计算：Rt=R3K(R1+RW1)Vc-(R4+R1+RW1)VoKVcR4+(R4+R1+RW1)Vo。式中：=10；R3=5000；R4=5000；R1+RW1=100；Vc =4V；Vo为测量值，画出实验曲线并计算其线性关系。通过上图可以发现，温度越高，铜电阻的电压越来越小，电阻却越来越大了，并且变化的现象明显。第三章 元器件的简介及其原理3.1 铜热电阻 铜热电阻是通过金属在温度变化时本身电阻也随之发生变化的原理来测量温度的仪器。铜热电阻按其保护管结构形式分为装配式（可拆卸）和铠装式（不可拆卸，内装铂电阻）。目前现场应用较多的装配式热电阻主要包括分度号为Pt100的铂热电阻和分度号为Cu50的铜热电阻两大类。 热电阻测温反映出来的是电阻值的变化。但有时候应用中会加一个模块 ，模块将电阻信号转换成电流信号或是电压信号来进行远传的。3.2 二极管 半导体二极管也称为晶体二极管（简称二极管），如下图7所示，它由一个PN结加上引线和管壳构成。从p区引出一个电极叫正极，从N区引出一个电极叫负极。它具有单向导电性。图7除了普通二极管外，另外还有一些特殊用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光敏二极管等。稳压管是用特殊工艺制成的特殊二极管，它工作在反向击穿区，具有稳压功能。发光二极管与普通二极管一样，也是由PN结构成的，同样具有单向导电性，但在正向导电时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。发光二极管常用于状态指示或高电平指示，也用于数码管和点阵显示，如数字显示、电子秤、证券屏、交通指示等。光敏二极管是将光信号转变为电信号的器件。光敏二极管工作在反偏状态，它的光壳上有一个玻璃窗口，以便接受光照。当不受光照时，其反向电阻很大，通过它的电流很小。当受到光的照射时，反向电流显著增加，该电流称光电流，它的大小与光照的强度有光。光敏二极管广泛用于光电耦合器、遥控接收器中，作为光电转换器件。3.3 三极管半导体三极管是一种具有放大作用的半导体器件，半导体三极管又称为晶体管，因其内部参与导电的载流子有电子和空穴，所以又称双极型晶体管。它是组成各种电子电路的核心器件，其具有放大作用。三极管由两个PN结，三层半导体组成。根据排列的方式不同，半导体三极管分为NPN型和PNP型两种类型。两个PN结把三极管划分为发射区、基区和集电区，其中，发射区掺杂浓度高，基区很薄且掺杂浓度低，集电极面积大。它们引出线分别称为发射极e、基极b、集电极c。发射区和基区间的PN结称为发射结，集电区和基区间的PN结称为集电结。如图8所示，带箭头的电极表示发射极，箭头方向表示发射极正向偏置时电流方向。 图8 结束语 在这个科技日益发达的世界，仪器的精密度变的越来越重要了，制造的仪器的精密程度的高低俨然已经成为了一个国家科技水平高低的一个重要指标。所以，我认为与其发明其他的一起还不如在使原本的一起更精密些来的实用。 参考文献 1 松井邦彦传感器实用电路设计与制作M北京：科学出版社。2005 【2 宋绍民，张忠贤传感器非线性的反拟合方法及校正实现J传感器技术，2005，24(6)：32-36 3 文小玲，刘翠梅，易