热电阻温度传感器课程设计.doc

燕山大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 题目题目 热电阻温度传感器的设计热电阻温度传感器的设计 学院 系 学院 系 电气工程学院电气工程学院 年级专业 年级专业 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 吴飞吴飞 陈颖陈颖 教师职称 教师职称 副教授副教授 副教授副教授 燕山大学课程设计 论文 任务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 自动化仪表系 学 号学生姓名专业 班级 设计题目 热电阻温度传感器的设计 设 计 技 术 参 数 1 测量范围 2 输出电压 3 热电阻阻值 4 电压灵敏度 5 精度 设 计 要 求 1 学习掌握温度传感器的相关知识 2 热电阻阻值测量电路设计 3 分度表数据库的设计与查询 4 热电阻温度传感器的硬件调试 5 撰写报告 完成答辩 工 作 量 第 18 19 周 完成资料查阅 方案设计 电路仿真 硬件调试 测试及误差分 析等内容 工 作 计 划 设计时间共 10 天 第 1 2 天 资料查阅 图书馆及网络 理论工作原理学习 第 3 4 天 设计方案制定 第 5 6 天 Pt100 热电阻分度表数据库设计 第 7 8 天 传感器硬件调试 第 9 10 天 撰写报告 完成答辩 参 考 资 料 张玉龙等 传感器电路设计手册 中国计量出版社 1989 年 杨宝清 孙宝元 传感器及其应用手册 2004 单成祥 传感器的理论与设计基础及其应用 国防工业出版社 1999 年 吴桂秀 传感器应用制作入门 浙江科学技术出版社 2004 指导教师签字 吴飞 陈颖基层教学单位主任签字谢平 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 年 月 日 燕山大学课程设计评审意见表燕山大学课程设计评审意见表 指导教师评语 工作态度 认真 较认真 不认真 理论分析 正确完善 较为合理 一般 较差 方法设计 完善 合理 一般 较差 成绩 指导教师 2012 年 1 月 5 日 答辩小组评语 原理 清晰 基本掌握 了解 不清楚 设计结论 正确 基本正确 不正确 成绩 评阅人 2012 年 1 月 5 日 课程设计总成绩 答辩小组成员签字 2012 年 1 月 5 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 4 页 共 14 目录 摘 要 5 第一章 温度传感器的组成及原 理 5 1 温度传感器的组 成 5 2 工作原 理 6 第二章 PT100 的原 理 6 1 pt100 的基本结 构 6 2 pt100 的分度 值 6 3 pt100 的结 构 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 5 页 共 14 7 4 pt100 的性 能 7 第三章 电路设 计 7 1 采样电路设 计 8 2 放大电路设 计 8 3 模拟仿真电 路 9 第四章 数据库的建 立 10 第五章 参数及计 算 13 参考文献 14 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 6 页 共 14 热电阻温度传感器的设 摘要 PT100 是电阻式温度传感器的一种 电阻式温度传感器 RTD Resistance Temperature Detector 一种物质材料做成的电阻 它会随温度的上升而改 变电阻值 如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数 如果 它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数 大部分电阻式温度传 感器是以金属做成的 其中以铂 Pt 做成的电阻式温度传感器 最为稳定 耐 酸碱 不会变质 相当线性 最受工业界采用 本文主要介绍温度传感器主要特点及其工作原理 设计出其测温电路 并对其进行仿真得出结论 主要设计的是大范围的测温 本文设计的传感器 是测量 200 500 的较大范围传感器 关键字 Pt100 温度 传感器 设计 第一章 温度传感器的组成及原理 1 温度传感器的组成 温度传感器由敏感元件和转换元件组成 但是由于温度传感器输出信号 一般都很微弱 需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输 处 理 记录和显示的形式 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 7 页 共 14 其中 敏感元件是指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件 是传 感器中能直接感受被测量的部分 转换元件是指传感器中能将 敏感元件输 出转换为适于传输和测量的电信号部分 随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用 传感器的信号调节与转 换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上 因此 信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分 常见的信号调节与转换电路有放大器 电桥 振荡器 电荷放大器等 它们分别与相应的传感器相配合 2 工作原理 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化 的特性 热电阻大都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 现在已 开始采用镍 锰和铑等材料制造热电阻 热电阻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 第二章PT100 的原理 1 pt100 的基本结构 pt100 是电阻时温度传感器的一种 电阻式温度传感器是一种物质材料做成 的电阻 它会随温度的上升而改变电阻值 如果它随温度的上升而电阻值也跟 着上升就称为正电阻系数 如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电 阻系数 大部分电阻式温度传感器是以金属做成的 其中以铂 Pt 做成的电阻 式温度检测器 最为稳定 耐酸碱 不会变质 相当线性 最受工业界采用 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 其电阻和温度变化的关系式如下 R Ro 1 T 其中 0 00392 Ro 为 100 在 0 的电阻值 T 为摄氏温度 因此铂 做成的电阻式温度传感器 又称为 PT100 R 100 1 0 00392T R 100 0 392T 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 8 页 共 14 T R 100 0 392 T 2 551 R 100 2pt100 的分度值 铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和 制作的 按 0 时的电阻值 R 的大小分为 10 欧姆 分度号为 Pt10 和 100 欧姆 分度号为 Pt100 等 测温范围均为 200 850 10 欧姆铂热电 阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成 耐温性能明显优于 100 欧姆的铂 热电阻 只要用于 650 以上的温区 100 欧姆铂热电阻主要用于 650 以 下的温区 虽也可用于 650 以上温区 但在 650 以上温区不允许有 A 级 误差 100 欧姆铂热电阻的的分辨率比 10 欧姆铂热电阻的分辨率大 10 倍 对二次仪表的要求相应地一个数量级 因此在 650 以下温区测温应尽量 选用 100 欧姆铂热电阻 3 pt100 的结构 本文虽然用现成的 pt100 但我们仍然有必要看看其结构 就结构而言 铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻 工业铂热电阻也叫装 配铂热电阻 即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管 或陶瓷管内 再安装上接线盒而成 铠装铂热电阻是将铂热电阻元件 过 渡引线 绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体 具有坚实 抗震 可绕 线径小 使用安装方便等优点 4 pt100 的性能 PT100 电阻温度系数为 3 9 10 3 0 时电阻值为 100 电阻变 化率为 0 3851 铂电阻温度传感器精度高 稳定性好 应用温度范 围广 是中低温区 200 650 最常用的一种温度检测器 不仅广 泛应用于工业测温 而且被制成各种标准温度计 按 IEC751 国际标准 温度系数 TCR 0 003851 Pt100 R0 100 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 9 页 共 14 Pt1000 R0 1000 为统一设计型铂电阻 铂电阻传感器有良好的长期稳定性 典型实验数据为 在400 时持续30 时 0 时的最大温度漂移为0 02 第三章 电路设计 1 采样电路设计 采用 3 线制连接 采用惠斯顿电桥 电桥的四个电阻中三个是恒定的 采用 R1 R2 VR2 Pt100 构成测量电桥 其中 R1 R2 10k 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 mV 级的压差信号 由此差压信号转换为温度 热电阻通过电阻相同的 三根导线和电桥连接其中两条线分别接在相邻的两臂内 当温度变化是 只要它们的温度系数相同 它们电阻的变化就不会影响电桥的状态 图一 惠斯顿电桥 2 放大电路设计 R1 VR 2 R2 Pt100 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 10 页 共 14 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键 根据查阅的相关资料 在放大器电路精选中 一般在首级放大器有低噪声 低输入偏置电流 高 共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构 如下图 2 3 所示 三运放 中由 A1 A2 构成前级对称的同相 反相输入放大器 后级为差动放大器 在这个结构图中 要保证放大器高的性能 参数的对称性与一致性显得尤 为重要 不仅包括外围的电阻元件 R1 与 R2 R3 与 R4 R5 与 R6 还包括 A1 与 A2 放大器的一致性 因此 要自制高性能的放大器对器件要求相当 高 随着微电子技术的发展 市场上出现了专用的高性能的仪用放大器 它的内部核心结构还是三运放 但是 采用微电子来解决刚才的参数匹配 问题已不是什么复杂的问题 Vin Vin Vout R1 R2 R3 R4 R5 R6 RG A1 A2 A3 Va Vb 图二 三运放结构的高性能放大器原理图 该放大器的特点为 差动输入 单端输出 电压增益可由一个电阻 RG 来确定 且增益连续可调 并有效地解决了后级负载对地连接的问题 Al A 2 组成了同相高输入阻抗的差动输入 差动输出 并承担了全部的增益 放大任务 由于电路结构对称 增益改变时 输入阻抗不变 反馈电阻 R1 R2 10k 放大器 A1 A2 的共增益 失调 漂移等误差均得到 了相互补偿 后级 A3 的增益为 1 具有较高的共模抑制比和抗干扰能 3模拟仿真电路 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 11 页 共 14 如图所示 5 的电阻是导线电阻 12v 电源是电桥电源 放大倍数主要由 2 的电阻决定 连接三个 5 电阻的 100 电阻为 pt100 另一个 100 电 阻为高精度电阻和 pt100 在 0 的阻值相同 桥路上的另两个电阻选取较大 电阻 10k 是为了使流过 pt100 的电流较小 否则电流较大 pt100 将自生 产生热量 是实际温度改变 导致测量不准确 这样 通过电桥产生的小电 压 通过放大电桥后转化为可用电压 继而温度的变化影响电阻的变化 电 阻的变化导致电压变化 由电压的变化可求得温度的变化 故达到热电阻测 温的效果 图三 模拟仿真电路 第四章 数据库的建立 数据库的设计对应的温度对于 pt100 会造成固定阻值变化 一个固 定的温度对应一个阻值 一个固定的阻值对应一个固定的输出电压 该表中 的电压是由已知电阻通过仿真电路所得 由于本电路可测得温度范围较广 测量数据较多 所以每隔 10 或者 5 对其电压进行测量 对于出现在每 10 中间的电压数据 可通过线性得到 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 12 页 共 14 温度 电阻 电压 v温度 电阻 电压 v 20018 49 1 061 2590 19 0 127 19022 80 1 005 2092 16 0 101 18027 08 0 948 1594 12 0 076 17031 32 0 892 1096 09 0 051 16035 53 0 838 598 04 0 025 15039 71 0 7830100 000 000 14043 87 0 7285101 950 005 13048 00 0 67510103 900 050 12052 11 0 62115105 850 075 11056 19 0 56820107 790 100 10060 25 0 51525109 730 125 9064 30 0 46330111 670 150 8068 33 0 41035113 610 175 7072 33 0 35840115 540 200 6076 33 0 30645117 470 225 5080 31 0 25550119 400 250 4582 29 0 22960123 240 299 4084 27 0 20370127 070 349 3586 25 0 17880130 890 398 3088 22 0 15290134 700 446 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 13 页 共 14 温度 电阻 电压 v温度 电阻 电压 v 100138 500 495300212 021 430 110142 290 544310215 571 475 120146 060 592320219 121 520 130149 820 640330222 651 564 140153 580 688340226 171 609 150157 310 736350229 671 653 160161 040 783360233 171 697 170164 040 822370236 651 741 180168 460 878380240 131 784 190172 160 925390243 591 828 200175 840 972400247 041 871 210179 511 019410250 481 914 220183 171 065420253 901 957 230186 821 111430257 322 000 240190 451 157440260 722 042 250194 071 203450264 112 085 260197 691 249460267 492 127 270201 291 295470270 862 169 280204 881 340480274 222 211 290208 451 385490277 562 253 500280 902 294 表 温度 电阻 电压对应表 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第 14 页 共 14 对应的温度对于 pt100 会造成固定阻值变化 一个固定的温度对应一个 阻值 一个固定的阻值对应一个固定的输出电压 该表中的电压是由已知电 阻通过仿真电路所得 由于本电路可测得温度范围较广 测量数据较多 所 以每隔 10 或者