热电阻传感器课程设计...doc

东北石油大学 课 程 设 计 课 程 传感器课程设计 题 目 热电阻测温系统设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程 传感器课程设计 题目 热电阻测温系统设计 专业 姓名 学号 主要内容 主要内容 热电阻的特点是测量精度高 性能稳定 其中铂热电阻的测量精度最高 此次 设计主要是利用铂热电阻的特性设计测温系统 常用电桥作热电阻的测量电路 其 中可设计二线式 三线式 四线式电桥连接测量电路来高精度的测量温度 同时我 们还可以利用 A D 转换器将温度信号转换成电压或电流来实现温度测量 基本要求基本要求 1 按照实验原理 以获得被测量温度的两线制铂热电阻 一运算放大电路及一 调零电阻 所述两线制铂热电阻包括一正端子 一负端子 所述运算放大电路的输 入端接所述两线制铂热电阻的正端子 所述调零电阻的一端连接所述两线制铂热电 阻的负端子 其另一端接入电路中 该放大器的输出电压和热电阻的电阻变化值成 线性关系 2 掌握传感器的工作原理 使用和选用方法 能根据要求选用和使用常用传感 器 主要参考资料 主要参考资料 1 夏路易 石宗义 电路原理图设计教程 M 北京希望电子出版社 2002 15 18 2 陈杰 黄鸿 传感器与检测技术 M 北京 高等教育出版社 2002 30 35 3 张琳娜 刘武发 传感检测技术及应用 M 北京 中国计量出版社 1999 16 20 4 袁希光 传感器手册 M 北京 北京国防工业出版社 1986 16 完成期限 2012 6 25 2012 6 29 指导教师 专业负责人 传感器课程设计 摘 要 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行 温度测量的 热电阻大都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 此外 现在已开始采用镍 锰和铑等材料制造热电阻 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及 与温度有关的参数 在温度 检测精度要求比较高的场合 这种传感器比较适用 目前较为广泛的热电阻材料为铂 铜 镍等 它们具有电阻温度系数大 线性 好 性能稳定 使用温度范围宽 加工容易等特点 用于测量 200 500 范围内的温度 温度测量系统应用广泛 涉及到各行各业的各个方面 在各种不同的领域中 都占有重要的位置 从降低开放成本扩大适用范围 系统运行的稳定性 可靠性 出发 设计一种以 Pt100 铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统 才测量系统不但可以测量室内的温度 还可以测量液体等的温度 在实际应用中 该系统运行稳定 可靠 电路设计简单实用 关键词 传感器 Pt100 热电阻 温度测量 传感器课程设计 目 录 一 设计要求 1 二 方案设计 1 1 方案一 1 2 方案二 1 三 传感器工作原理 2 四 电路的工作原理 3 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 3 1 单元电路设计 3 2 参数计算 5 3 器件选择 5 4 系统需要的元器件清单 6 六 总结 6 参考文献 8 传感器课程设计 1 热电阻测温系统设计 一 设计要求 功能要求 1 利用热电阻将温度转化成电压信号再进过计算得到温度值 2 利用模数转换器实现温度测量 3 利用铂热电阻作温度传感器的电桥和放大电 指标要求 1 测温范围 200 600 摄氏度 2 测温精度 0 1 摄氏度 3 稳定性 0 1 摄氏度 二 方案设计 1 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 此方案由测温电路 电压放大电路 A D 转换电路及 LCD 显示电路组成 温度采集信号调理转换DA单片机显示 电源 图 1 方案一原理方框图 2 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 传感器课程设计 2 温度 铂热 电阻 放大 电路 稳压 电路 结果 图 2 方案二原理图 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 但是 方 案一采用单片机实验电路比较复杂 测量麻烦 故本次设计我们采取方案二 三 传感器工作原理 与热电偶的测温原理不同的是 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的 即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性 因此 只要测量出感温热电阻的阻 值变化 就可以测量出温度 目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类 下 面以铂电阻温度传感器为例 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 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示 即 010ttRtRt 1 式中 Rt 为温度 t 时的阻值 Rt0 为温度 t0 通常 t0 0 时对应电阻值 为 温度系数 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 teRt A 2 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 50 300 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 200 500 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 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 传感器课程设计 3 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 采用 pt100 测温一般有三种接线方式 二线制 三线制 四线制 二线制接法 这种接法不考虑 PT100 电缆的导线电阻 将 A D 采样端与电 流源的正极输出端接在一起 这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻 因此只能 适用于测温距离较近的场合 三线制接法 这种接法增加了用于 A D 采样的补偿线 三线制接法消除 了连接导线电阻引起的测量误差 这种接法适用于中等测量距离的场合 四线制接法 这种接法不仅增加了 A D 采样补偿线 还加了一条 A D 对 地的补偿线 这样可以进一步的减小测量误差 可以用于测温距离较远的场合 四 电路的工作原理 图 3 桥式测温电路 二线制是用电桥法测量 最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系 电流 回路和电压测量回路合二为 1 电路采用 TL431 和电位器 VR1 调节产生 4 096 的参考电源 采用 R1 R2 VR2 PT100 构成测量电桥 其中 R1 R2 VR2 为 100 精密电阻 当 PT100 的电阻值和 VR2 的电阻值不相等时 电桥输出一个 级的压差信号 这 个压差信号经过运放 LM324 放大后输出期望大小的电压信号 该信号可直接连 AD 转换芯片 差动放大电路中 R3 R4 R5 R6 放大倍数 R5 R3 运放采用单一 5V 供 电 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 传感器课程设计 4 1 单元电路设计 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 4 放大电路 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 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 传感器课程设计 5 图 5 稳压电路 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 2 参数计算 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 其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示 在 0 650 范围内 Rt R0 1 At Bt2 3 在 200 0 范围内 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 4 式中 A B C 为常数 A 3 96847 10 3 B 5 847 10 7 C 4 22 10 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 5 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 3 器件选择 1 电阻 R1 和 R2 的电阻值可以改变电桥输出的压差大小 2 电阻 R5 R3 的比值可改变电压信号的放大倍数 以便满足设计者对温度 传感器课程设计 6 范围的要求 3 VR2 为滑动变阻器 调节滑动变阻器的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 当阻值调节到 109 855 时 温度的零点就被设在了 25 测量滑动变阻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 4 运算放大器一个 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由这样的关系 压差信号比理论值 小很多 实际输出信号为 4 096 Rpt100 R1 Rpt100 Rvr2 R1 Rvr2 式中电阻 值以电路工作时量取的为准 5 电源 Vcc 电容 C1 和 TL431 它的内部含有一个 2 5V 的基准电压 所以 当在 REF 端引入输出反馈时 器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流 控制 输出电压 当 R1 和 R2 的阻值确定时 两者对 Vo 的分压引入反馈 若 V o 增大 反馈量增大 TL431 的分流也就增加 从而又导致 Vo 下降 显见 这个深度的 负反馈电路必然在 VI 等于基准电压处稳定 此时 Vo 1 R1 R2 Vref 选择不同 的 R1 和 R2 的值可以得到从 2 5V 到 36V 范围内的任意电压输出 特别地 当 R1 R2 时 Vo 5V 需要注意的是 在选择电阻时必须保证 TL431 工作的必要条 件 就是通过阴极的电流要大于 1 mA 4 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1PT1001 2运算放大器LM3241 3滑动变阻器TL4311 4滑动变阻器IN47331 5电容1031 6电容1041 7电容ROMH22K 8电阻ROMH2100K 9电阻ROMH41K 六 总结 此次课程设计使我对于热电阻测温系统的设计电路更加熟悉 知道铂电阻传 传感器课程设计 7 感器的特性 每一个步骤都贯穿着刚刚学过的传感器的内容 使我了解到传感器 这门课程的重要性 这个设计我们经历了大概一周的时间 通过认真严谨的设计 态度给我们带来了成功的喜悦 通过这次传感器课程设计 我掌握了设计一个传 感器电路的方法和基本步骤 实际解决了设计中出现的问题 增强了寻找问题 解决问题的能力 培养了我们的设计思维 增加了实际操作能力 此次传感器课 程设计的成功不仅帮助我们更好的掌握书本知识 尤其重要的是增强了我们的自 信 培养了我们独立思考的能力 这次设计实习 使我深刻地理解了实践的重要 性 理论无论多么熟悉 但是缺乏了实践的理论是行不通的 这一次的实习 让 我们自己去发现问题 去想问题 去如何解决这个问题去亲手操作 实践 这个 过程使得我觉得自己完成了一次质的飞跃 希望在以后的实习中 我们的实习工 作超出我们的知识能力范围时 老师能多引导我们 多给我们讲述相关的经验 非常感谢指导老师对我的指导和教诲 希望我们自己也应该主动寻求老师的帮助 传感器课程设计 8 参考文献 1 夏路易 石宗义 电路原理图设计教程 M 北京望电子出版社 2002 15 18 2 陈杰 黄鸿 传感器与检测技术 M 北京 高等教育出版社 2002 30 35 3 张琳娜 刘武发 传感检测技术及应用 M 北京 中国计量出版社 1999 16 20 4 李刻杰 传感技术 M 北京 北京理工大学出版社 1989 10 5 张福学 传感器敏感元件大全 M 北京 北京电子工业出版社 1990 18 23 6 袁希光 传感器手册 M 北京 北京国防工业出版社 1986 16 传感